Los contaminantes que ocurren naturalmente están presentes en las rocas y los sedimentos. A medida que el agua subterránea fluye a través de los sedimentos, los metales como el hierro y el manganeso se disuelven y luego pueden encontrarse en altas concentraciones en el agua. Las descargas industriales, las actividades urbanas, la agricultura, el bombeo de aguas subterráneas y la eliminación de desechos pueden afectar la calidad del agua subterránea. Los contaminantes de fugas en tanques de combustible o derrames químicos tóxicos pueden ingresar al agua subterránea y contaminar el acuífero. Los pesticidas y los fertilizantes aplicados a los céspedes y cultivos pueden acumularse y migrar al nivel freático.
El agua subterránea puede contener sulfuro de hidrógeno u otros productos químicos de origen natural. También puede contener petróleo, compuestos orgánicos u otras sustancias químicas introducidas por las actividades humanas. El agua subterránea contaminada puede ocurrir si el pozo está ubicado cerca de tierra que se usa para la agricultura, donde se aplican ciertos tipos de químicos a los cultivos, o cerca de una estación de gasolina que tiene un tanque de almacenamiento con fugas. Las fugas de tanques sépticos y/o sitios de eliminación de desechos también pueden contaminar el agua subterránea. Un tanque séptico puede introducir bacterias en el agua, los pesticidas y fertilizantes que se filtran en el suelo cultivado pueden terminar en agua extraída de un pozo. O bien, un pozo podría haber sido colocado en un terreno que una vez se usó para algo así como un vertedero de basura o un vertedero de productos químicos.
Las propiedades físicas de un acuífero, como el espesor, la roca o el tipo de sedimento, y la ubicación, juegan un papel importante en la determinación de si los contaminantes de la superficie terrestre llegarán al agua subterránea. El riesgo de contaminación es mayor para los acuíferos no confinados que para los acuíferos confinados porque generalmente están más cerca de la superficie terrestre y carecen de una capa de confinamiento superpuesta para impedir el movimiento de contaminantes. Debido a que el agua subterránea se mueve lentamente en el subsuelo y muchos contaminantes absorben los sedimentos, la restauración de un acuífero contaminado es difícil y puede requerir años, décadas, siglos o incluso milenios.