De grondwaterspiegel is een ondergrondse grens tussen het bodemoppervlak en het gebied waar het grondwater de ruimtes tussen sedimenten en scheuren in gesteente verzadigt. Waterdruk en atmosferische druk zijn op deze grens gelijk.
Het bodemoppervlak boven de grondwaterspiegel wordt de onverzadigde zone genoemd, waar zowel zuurstof als water de ruimtes tussen sedimenten vullen. De onverzadigde zone wordt ook wel de beluchtingszone genoemd vanwege de aanwezigheid van zuurstof in de bodem. Onder de grondwaterspiegel bevindt zich de verzadigde zone, waar water alle ruimtes tussen sedimenten vult. De verzadigde zone wordt onderaan begrensd door ondoordringbaar gesteente.
De vorm en hoogte van de grondwaterspiegel wordt beïnvloed door het landoppervlak dat erboven ligt; het buigt omhoog onder heuvels en daalt onder valleien. Het grondwater dat onder de grondwaterspiegel wordt gevonden, is afkomstig van neerslag dat door de oppervlaktebodem is gesijpeld. Er worden bronnen gevormd waar de grondwaterspiegel van nature het landoppervlak raakt, waardoor grondwater van de oppervlakte en uiteindelijk in een beek, rivier of meer stroomt.
Het grondwaterpeil kan variëren in verschillende gebieden en zelfs binnen hetzelfde gebied. Schommelingen in het grondwaterpeil worden veroorzaakt door veranderingen in neerslag tussen seizoenen en jaren. Tijdens de late winter en lente, wanneer de sneeuw smelt en er veel neerslag is, stijgt het grondwaterpeil. Er is echter een vertraging tussen het moment waarop neerslag de verzadigde zone binnendringt en het moment waarop het grondwaterpeil stijgt. Dit komt omdat het tijd kost voordat water door de ruimtes tussen de sedimenten druppelt om de verzadigde zone te bereiken, hoewel het proces wordt geholpen door de zwaartekracht. Irrigatie van gewassen kan er ook voor zorgen dat de grondwaterspiegel stijgt doordat overtollig water in de grond sijpelt.
Tijdens de zomermaanden neigt de grondwaterspiegel te dalen, deels doordat planten water opnemen van het bodemoppervlak voordat het de grondwaterspiegel kan bereiken. Het grondwaterpeil wordt ook beïnvloed door menselijke winning van grondwater met behulp van putten; grondwater wordt weggepompt voor drinkwater en om landbouwgrond te irrigeren. De diepte van de grondwaterspiegel kan worden gemeten in bestaande putten om de effecten van seizoen, klimaat of menselijke impact op het grondwater te bepalen. De grondwaterspiegel kan feitelijk over regios in kaart worden gebracht door metingen uit putten.
Als water niet op een duurzame manier via een put wordt onttrokken, kan de grondwaterspiegel permanent dalen. Dit begint overal ter wereld het geval te zijn. Enkele van de grootste bronnen van grondwater raken uitgeput in India, China en de Verenigde Staten tot het punt waarop ze niet meer kunnen worden aangevuld. Uitputting van het grondwater treedt op wanneer de snelheid waarmee het grondwater via putten wordt onttrokken, hoger is dan de snelheid waarmee wordt aangevuld door neerslag.