沙漠是绝好的天然地下水库。沙漠地下通常有丰厚的疏松砂层，处于盆地较低地势的聚水位置。砂粒间有较大的孔隙以便贮存水，沙漠地下大范围的砂质沉积体，就像巨大的贮水容器一样。地表干砂层则好像这水库的盖子似的，阻挡着太阳的照晒，使地下水免遭蒸发。正是由于这个原因，许多沙漠具有丰富的地下水。我国最大的沙漠--新疆塔克拉玛干沙漠的地下水位一般不低于丘间地表10米，打井取用，很方便。其他沙漠的地下水位可能还要更高些。
沙漠地下水主要来源于沙漠河流的补给。河流在沙漠中入渗，使地下水的流向远离河流。一般来说，地下水的矿化度距河道越远就变得越重。雨水对地下水只有少量的贡献，因为干旱地区的降水实在少得可怜。
地下水位对沙漠形成有显著的影响。如同灯芯能使灯油上升一样，砂土能使水分从地下水面向上渗流一段距离，形成地下水面以上的湿砂层，这种作用叫毛管作用。相应的湿砂层又叫毛管带。毛管带湿砂层往往是风蚀地形的极限。但在干砂层遭风蚀发育沙丘的过程中，一方面沙丘堆集变高，另一方面，风蚀区的丘间地因遭侵蚀而变低。但侵蚀区低至毛管带湿砂层时，风蚀受阻，便形成水平方向的侵蚀面，相邻的沙丘也会因缺少砂源而停止加高。可见，地下水位的下降，会导致高大沙丘的形成，而地下水位的上升，又有可能引起沙丘变低。许多沙漠里的高大沙山的形成，实际上与地下水的水位低或长期下降有关。
