关于济南泉水的形成原因，古时有很多说法。有人认为济南泉水来源于河南的王屋山。如宋代沈括在《梦溪笔谈》中说：济水自王屋山东流，有时隐伏地下，至济南冒出地面而成诸泉。明代胡缵宗诗云：“王屋流来山下泉，清波聊酌思泠然。” 前人也有关于济南泉水来源的正确说法，如宋代曾巩、金代元好问等人认为，济南的泉水并非济水之出露，而是来自济南城南的山区。曾巩在任齐州知州期间，为摸清泉水来路，曾进山调查，认为南部山区的水下渗潜流至市区而出露成泉。他在《齐州二堂记》中说：“泰山之北与齐之东南诸谷之水，西北汇于黑水之湾(即锦阳川水)，又西北汇于柏崖之湾(疑在柏崖山处)，而至于渴马之崖(在今党家庄镇东、西渴马崖村一带)。盖水之来也众，其北折而西也，悍疾尤甚，及至于崖下，则泊然而止。而自崖以北至于历城之西，盖五十里，而有泉涌出，高或至数尺， 其旁之人名之曰趵突之泉。……盖泉自渴马之崖潜流地中，而至此复出也。” 　　现代地质工作者调查研究认为，济南泉水来源于市区南部山区，大气降水渗漏地下，顺岩层倾斜方向北流，至城区遇到侵入岩体阻挡，承压水出露地表，形成泉水。济南南部山区，为泰山余脉，自南而北有中山、低山、丘陵，至市区变为山前倾斜平原和黄河冲积平原的交接带，高差达500多米，这种南高北低的地势，利于地表水和地下水向城区汇集。在地质构造上，南部山区属泰山隆起北翼，为一平缓的单斜构造。由于北侧断裂切断，形成许多断块，其中千佛山断块是构成城区泉群的构造基础。山区以前震旦系变质岩为基底，上布有1000多米厚的寒武系和奥陶系石灰岩岩层。岩层以3～15度倾角向北倾斜，至市区埋没于第四系沉积层之下。在漫长的地质年代，这些可溶性灰岩，经过多次构造运动和长期溶蚀，岩溶地貌发育，形成大量溶沟、溶孔、溶洞和地下暗河等，共同组成了能够储存和输送地下水的脉状地下网道。市区北部为燕山期辉长岩～闪长岩侵入体，质地细密，岩质坚硬，隔水性能好。千佛山断块西有通过纬一路的千佛山断层；东有穿过解放桥和老东门的羊头峪断层，这样就组成了东西北三面阻水岩体，构成了三面封闭的排泄单元。 　　南部山区，在灰岩出露和裂隙岩溶发育的地方，吸收了大量的大气降水和地表径流，渗入地下形成了丰富的裂隙岩溶水。这些裂隙岩溶水，受太古界变质岩的隔阻，沿岩层倾斜的方向，向北作水平运动，形成地下潜流，至城区遇到侵入岩岩体的阻挡和断层堵截，地下潜流大量汇聚，并由水平运动变为垂直向上运动，促进了岩溶发育和水位抬高， 在强大的静水压力下，地下水穿过岩溶裂隙，在灰岩和侵入岩体的接触地带及第四系沉积层较薄弱处夺地而出，涌出地表，形成天然涌泉。 　　变化降水量的多少和季节分配直接影响着泉水的变化。济南属暖温带季风气候，常年平均降水量为650～700毫米。由于夏季季风的影响， 降水量季节分配不均，三分之二的降水量集中在夏季，秋季不足五分之一，冬春两季降水很少。四季降水量的具体情况是： 春季(3～5月) 86.9 毫米，夏季(6～8月)448.2毫米，秋季(9～11月)124.9毫米，冬季(12～2月)25.2毫米。随着降水量的季度变化，泉水水位和流量也相应地出现季节变化， 不过在时间上较降水的季节变化推迟一些。一般年份，泉水变化过程是自年初始，流量逐渐减少，至6月出现最小流量和最低水位；7月份随降水量增加而流量开始增大，8、9月出现最大流量和最高水位；雨季过后，流量开始变小， 直至次年初夏。降水量的年际变化也同样影响着泉水流量和水位。一般规律是年降水量多，当年泉流量大，水位高；年降水量少，当年泉水的流量也小，水位也低。 　　大气降水对泉水动态变化所起的主导作用，是人工开采量不超过泉水流量的情况下显示出来的，如果开采量大于泉流量，雨量因素则处于次要地位。开采量的多少，直接影响泉水的动态变化。1972年1月20日6时40分，市区发生大面积停电4小时50分钟的事故，提水系统全部停机， 这段时间市区水位回升40厘米。1968年，开采量与泉流量大体相当，被称为二者的转换年。在此以前， 开采量小于泉流量，因此泉水表现一直很好；在这以后，由于开采量超过泉流量，并不断增大，泉水流量变小。为了证明这一点，1980年9月24日，在有关部门的组织下，市区停采地下水8小时， 比平日少采水135600吨，市区地下水位回升44～45厘米。据山东省水文地质队资料， 1973～1977年，市区水位下降2.25米。从1976年以后，雨季后不到1个月，泉水流量就逐渐减少。趵突泉自1981年以来，连续三年在3月上旬至9月初断流，干涸达半年以上。 1988年8月至1990年8月，趵突泉断流长达两年之久。 　　2003年9月6日趵突泉泉水复涌，至今已持续喷涌7个年头。