Schon der römische Naturforscher Plinius der Ältere (23 bis 79 n. Chr.) hatte erkannt: „Die Wässer sind genauso beschaffen wie der Untergrund, durch den sie fließen.“ Heilwässer stammen aus unterirdischen Wasservorkommen, die sich oft mehrere hundert Meter unter der Oberfläche befinden. Entstanden sind diese aus Regenwasser, das in einem teilweise Jahrzehnte oder Jahrhunderte dauernden Prozess bis in tiefe Erdschichten vordringt. Auf seinem Weg durch das Gestein wird das Wasser gefiltert und gereinigt. Zugleich löst es verschiedene Mineralstoffe aus dem Umgebungsgestein und nimmt sie auf. Welche das sind, ist abhängig vom Weg, den das Wasser durchfließt, von den dort vorhandenen Gesteinen und der Verweildauer.

Aus kalkreichen Gesteinen löst das Wasser Hydrogencarbonat und Calcium. Hydrogencarbonat bindet Säuren im Körper. Es kann bei zu viel Magensäure oder Sodbrennen helfen und Harnwegsinfekte lindern. Calcium kann Calciummangel ausgleichen und Osteoporose vorbeugen.

Eng verwandt mit Kalkstein ist Dolomit. Aus Dolomitgestein gelangt neben Calcium und Hydrogencarbonat auch Magnesium in das Wasser. Magnesiumreiche Heilwässer können bei Muskelkrämpfen, Kopfschmerzen oder anderen durch Magnesiummangel ausgelösten Beschwerden helfen.

Gesteine, die viel Gips enthalten, bewirken eine Anreicherung des Wassers mit Sulfat. Sulfat fördert die Produktion von Verdauungssäften und kann einen trägen Darm wieder in Schwung bringen. Auch bei funktionellen Erkrankungen von Galle und Bauchspeicheldrüse wird Sulfat unterstützend eingesetzt.

Fließt das Wasser an unterirdischen Salzablagerungen der Urmeere entlang, wird es mit Chlorid und Natrium angereichert. Wässer mit Natriumchlorid, also Kochsalz, empfehlen sich vor allem, um Flüssigkeits- und Mineralstoffverluste schnell wieder auszugleichen, zum Beispiel bei starker körperlicher Arbeit, Sport oder bei Durchfall.

In Gebieten vulkanischen Ursprungs findet man natürliche Kohlensäurequellen. Kohlensäure regt die Verdauung an, fördert die Ausscheidung des Harns und kann so Harnwegsinfekten vorbeugen.

Die verschiedenen Gesteine geben zudem weitere Mineralstoffe,  Spurenelemente und Wirkstoffe ins Wasser ab. Hierzu zählen zum Beispiel Kieselsäure oder Spurenelemente wie Jod und Zink.

Heilwässer müssen eine vorbeugende, lindernde oder heilende Wirkung wissenschaftlich nachweisen, um von der Arzneimittelbehörde zugelassen zu werden. Die Heilwirkung beruht auf einem hohen Gehalt an Mineralstoffen und der besonderen Zusammensetzung. Deshalb gibt es Heilwässer nur in bestimmten Regionen Deutschlands.

Besonders reich mineralisiert sind Wässer aus Gebieten, deren Untergrund geologische Brüche aufweist. Dazu zählen vor allem die Ränder von Gebirgen, wie z. B. Eifel, Schwäbische Alb oder Oberrheingraben. Entlang der unterirdischen Bruchflächen der Gesteine findet das Wasser Fließwege und erhält die Möglichkeit, Mineralstoffe aus dem Gestein zu lösen. Zum Herauslösen der Mineralstoffe benötigt es allerdings lange Zeit. Das Vorhandensein natürlicher Kohlensäure unterstützt den Lösungsprozess.

Auch wenn in einer Region bestimmte Gesteine vorherrschen, ergeben Besonderheiten der Geologie immer wieder besondere Wässer, die sich vom üblichen Typus der Region abheben. Manche Wässer sind auf ihrem langen Weg aus anderen Regionen quasi eingewandert. Zudem hängt die Art der Mineralisierung davon ab, welche Schichten im Untergrund „angezapft“ werden. Hier gilt die Faustregel, je tiefer man bohrt, desto stärker ist das Wasser mineralisiert.