进行水文地质调查所使用的基本方法手段或工种主要有10种：即水文地质测绘、水文地质钻探、水文地质物探、水文地质野外试验、地下水动态长期观测、室内分析测定与实验、同位素技术在水文地质调查中的应用、全球定位系统（GPS）的应用、遥感（RS）技术的应用、地理信息系统（GIS）的应用等。任何一项水文地质调查，基本上都是采用这些方法手段，通过这些方法手段的有机配合而组织起来的，这些方法手段（或工种）的精度直接决定了勘查成果的质量。近年来，航卫片地质水文地质解译、GPS技术、地理信息系统（GIS）、地下水同位素测试技术、核磁共振技术、水文地质参数的直接测定方法等新的技术方法已用于水文地质调查中，大大提高了水文地质调查的精度和工作效率。
1.水文地质测绘
水文地质测绘就是按一定的精度要求，对区内地质、水文地质界线和现象进行实地的观察、测量、描述、调查，并将它们绘制成图件，总结出一个地区的水文地质规律。水文地质测绘是认识一个地区水文地质条件的第一步，也是全部水文地质工作的基础。目前，航卫片解译等遥感技术，正广泛地成为水文地质测绘中的现代化有效手段。
2.水文地质钻探
水文地质钻探是勘探地下水的直接手段，同时，也是开采地下水的主要方法。由于它具有效率高、勘探深度大等特点，因而是一项主要的勘探工作。为了得到较好的效果，水文地质钻探必须建立在水文地质测绘等项工作的基础上。另外，在只需揭露近地表的地下水露头或与地下水有关联的一些地层、构造现象时，可直接使用坑、槽探。
3.水文地质物探
物探是水文地质勘探的重要手段之一，它与水文地质测绘和钻探相结合，可以有效地查明许多地质和水文地质问题，从而节省其他工种的工作量。需要着重说明，各种物探方法都有局限性，其结果具有多解性，使用中，应根据具体地质条件，进行分析、对比、综合研究，使解译结果真实的反映客观情况。水文地质工作中应用的主要物探方法有：电法、磁法、地震方法、放射性方法等，近年来，地质雷达、地球物理层析成像技术（CT）、核磁共振（NMR）等新技术、新方法也得到了广泛应用。
4.水文地质试验
在野外调查工作中，为取得各种水文地质参数或解决某些水文地质问题需进行相关的水文地质试验工作。水文地质野外试验主要包括：抽水试验、注水试验、渗水试验、地下水流速流向测定试验、连通试验、弥散试验等。根据调查工作需要，应合理布置这些试验。
5.地下水动态观测
由于地下水是变化的，为寻找其变化规律性，就需要对区内主要含水层中地下水的动态（包括水位、水量、水质、水温）进行长期的观测工作。依据观测结果，对区内地下水的形成和变化规律，水质、水量和水位进行正确地评价和预测。
6.室内实验、分析鉴定
实验室内实验、分析、鉴定等工作，主要是取得地下水质、岩石的水理学性质，岩石破坏及溶蚀机理，含水层的颗粒成分，地下水运动情况以及地下水年龄等资料。
7.同位素技术在水文地质调查中的应用
地下水在形成和运移过程中，各种化学组分的同位素成分都会进入水中，这些同位素踪迹便可为研究地下水及其与环境介质之间的关系提供重要信息。环境同位素能对地下水起着标记作用和记时作用。因此被广泛应用于水文地质调查工作中。目前在水文地质调查中应用同位素技术主要解决下列问题：①利用放射性环境同位素测定地下水年龄；②利用稳定环境同位素研究地下水的起源与形成过程；③利用放射性环境同位素研究包气带水的运动；④利用环境稳定同位素研究水中化学组分的来源；⑤利用放射性同位素示踪研究地下水运动及水文地质过程。
8.全球定位系统（GPS）技术的应用
全球定位系统（Global Positioning system，简写为GPS），也称全球卫星定位系统。GPS具有全球性、全天候、连续的三维测速、导航、定位与授时能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。目前，GPS已成为一种全天候、高精度的连续定位系统，且具有定位精度高、自动化、速度快、仪器操作简便、高效实用、方法灵活多样等特点。近十几年来，GPS在水文地质工程地质领域也得到了广泛应用。
GPS在水文地质工作中主要用于以下几个方面：①确定各种地质点（地质构造、地貌、第四纪地质、岩性点、采样点等）的位置及坐标（或经度、纬度），并可确定其走向或倾向；②确定井孔、泉、地下暗河等各种水文地质点的位置及坐标；③确定各类地质点及井、孔、泉水等水文地质点的高程；④确定各类地质点、水文地质点之间的距离；⑤地图功能、导航功能等；⑥确定勘探线方向或水文地质剖面线的方位；⑦查找地图上有关信息点、兴趣点；⑧数据存储、记忆功能，可建立数据库，并对数据进行下载和转换等。
9.遥感（RS）技术在水文地质调查中的应用
遥感（Remote Sensing，简称RS）就是“遥远的感知”，它是应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特征记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。换言之，遥感技术是根据电磁波理论，用装置在飞机或人造卫星等各种飞行器上的专门仪器，接收地面上各种地质体发射或反射的各种波谱信息，由于不同的地质—水文地质体发射、吸收、反射、散射和透射的电磁波波长和频率不同，从而解译判定出被测地区的地貌、地质、水文地质条件，并可绘制成各种图件。其特点是调查面积大，周期快，应用面广，在提高调查质量，加快调查进度、减少测绘和勘探工作量，减轻体力劳动等方面独具优越性。
遥感技术（RS）有许多种类，目前在水文地质调查中常用的是航空摄影、红外探测和多波段测量。利用航空照片可以解译含水层和含水构造，查明区域水文地质条件，圈定富水地段，划分汇水面积等。红外遥感技术在寻找浅层地下水方面（如寻找古河道，找出地下水露头的位置、大小、数量、探测地下热水，研究岩溶区的水文地质条件等）具有良好效果。利用地球卫星图像可对地球资源进行调查和进行环境监测，可解译出区域的地貌形态、地层岩性及地质构造，同时还可圈定冲积含水层，寻找泉及地下水溢出带、浅层地下水分布区，以及用于调查地表水资源和监测环境污染等。
10.地理信息系统（GIS）在水文地质调查中的应用
地理信息系统（Geographical Information System，简写为GIS），是对各种地理信息或空间信息进行获取、处理、分析和应用的计算机技术系统。
地理信息系统（GIS）已开始用于地下水研究中。地理信息系统（GIS）在水文地质调查中的应用主要有以下几个方面：①建立地下水数据库及模拟系统。②识别含水层，合理开发利用地下水资源。③进行地下水水质研究。④进行地下水资源管理。⑤编制水文地质图。⑥地下水模拟及可视化。
全球定位系统（GPS）、遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS），简称“3S”技术。“3S”技术是从20世纪60年代逐渐发展起来的、现已日渐成熟的空间信息处理技术。由于“3S”技术的日渐成熟，澳大利亚、美国、加拿大等国20世纪80年代就已开始运用“3S”技术进行数字化地质填图，从而实现了地质填图的计算机化和信息化，极大地提高了工作效率。我国数字化地质填图工作起步于20世纪90年代。目前，以“3S”技术为基础的数字化地质填图，正在地质、水文地质调查工作中逐步推广应用。