Різноманітність видів практичного використання підземних вод визначило той факт, що протягом досить тривалого часу, особливо в XIX-XX ст. гідрогеологія розвивалася головним чином як прикладна наука, покликана вирішувати конкретні завдання господарської діяльності людини. У другій половині XX в. всі зростаючі масштаби використання геологічного середовища та підземних вод як її найважливішого елемента зажадали не тільки рішення практичних завдань (раціональне комплексне використання підземної гідросфери, розробка довгострокових прогнозів впливу людини на підземну частину гідросфери і в недалекому майбутньому управління підземної гідросферою планети, насамперед верхньої її частиною, де протікає господарська діяльність людини), а й розробки фундаментальних теоретичних положень гідрогеології (пізнання основних з конів розвитку підземної гідросфери планети, кількісна оцінка природних процесів, що протікають в ній, і роль цих процесів в геологічній історії Землі, геохімії гірських порід земної кори, формуванні (і руйнуванні), а отже, розміщенні певних видів родовищ корисних копалин та ін.).
Відповідно до вищевикладеного в гідрогеології можуть бути виділені наступні теоретичні напрямки: загальна гідрогеологія (основи вчення про підземну гідросферу, появі та закономірності розподілу води в надрах Землі); регіональна гідрогеологія (закономірності поширення підземних вод в земній корі, типи гідрогеологічних структур, формування різних типів підземних вод); Гідрогеодінаміка (дослідження законів руху підземних вод, закономірностей формування їх гідродинамічного режиму і ресурсів); гідрогеохімія (дослідження законів міграції хімічних елементів в підземній гідросфері і процесів формування хімічного складу підземних вод); гідрогеотермія (дослідження термічних властивостей і процесів теплопереносу з підземними водами); палеогідрогеологія (походження і історія розвитку підземної гідросфери, дослідження ролі підземних вод в геологічних процесах).
В методичні та прикладні напрямки можуть бути включені: методика гідрогеологічних досліджень - методи проведення гідрогеологічних досліджень (зйомка, пошуково-розвідувальні, режимні, досвідчені і камеральні роботи); методика оцінки ресурсів підземних вод - виявлення типів родовищ підземних вод, умов формування і оцінка ресурсів підземних вод різного типу; гідрогеологія родовищ корисних копалин - гідрогеологічні методи пошуків родовищ корисних копалин, гидрогеологическое обгрунтування шахтного будівництва та умов експлуатації родовищ різного типу; меліоративна гідрогеологія - гідрогеологічні дослідження при проектуванні меліоративних систем, оптимізація водно-сольового режиму меліорованих земель; інженерна гідрогеологія - гідрогеологічні вишукування при проектуванні і будівництві інженерних споруд різного типу; екологічна гідрогеологія - охорона підземних вод, гідрогеологічні аспекти охорони природного (геологічної) середовища;
• моніторинг підземних водних об'єктів - систематичні (багаторічні) спостереження за станом і зміною режиму і балансу підземних вод, їх складу і якості.
Гідрогеологія використовує методи дослідження, застосовувані в науках про Землю і трансформовані щодо вивчення підземної гідросфери. Розробка теоретичних розділів гідрогеології та вирішення конкретних (прикладних) задач здійснюються з використанням власне гідрогеологічних методів, таких як польові методи (маршрутні дослідження, гидрогеологическое буріння, дослідно-фільтраційні роботи, спостереження за режимом підземних вод та ін.), Методи камеральної обробки польових матеріалів, лабораторні методи дослідження (гідрогеохімічні, фільтраційні і ін.) і методи гідрогеологічного моделювання. Широке поширення отримали методи фундаментальних наук - фізичні, хімічні, фізико-хімічні, математичні, екологічні.
З метою кількісно-якісної оцінки різних компонентів підземної гідросфери гідрогеологія орієнтується на натурні дослідження, пошуково-розвідувальні роботи та геофізичні методи. У гідрогеологію раніше, ніж в суміжні науки, стали впроваджуватися розрахунки, лабораторні експерименти і моделювання природних процесів.