Die Erdmasse ist etwa zu 99% heißer als 1000 °C und nur zu 0,1% kälter als 100 °C. Die technische Nutzbarkeit der Erdwärme hängt von den geologischen und hydrogeologischen Bedingungen am Standort ab. Der Aufbau der Gesteinsschichten (z. B. Sandstein oder Granit) wird durch Kartenwerke und Bohrungen ermittelt. In Deutschland ist der Untergrund durch systematische geologische Kartierungen und frühere Suchbohrungen nach Erdöl oder Erdgas gut erforscht. Für die geothermische Qualität eines Standorts sind Faktoren wie z. B. die Größe der Risse und Poren im Gestein und/ oder das Vorhandensein von wasserführenden Schichten bzw. einer Wasserzirkulation entscheidend, da Wasser Wärme besser transportieren kann als Gestein (z. B. Konvektion).

Auch in Tiefen bis 5 km sind Gesteinsschichten fast immer von kleinen Rissen und großen Risssystemen (Klüfte) durchzogen, in denen Wasser zirkuliert. Bevor Bohrungen in derart große Tiefen vorgedrungen waren, hatte man hier nur heißes, trockenes Gestein erwartet. In vulkanisch aktiven Regionen gelangt flüssiges, heißes Gestein aus dem Erdinneren in die Nähe oder bis ganz zur Oberfläche. Dieses ist u. a. eine Folge der Bewegung der großen Erdplatten (Plattentektonik) und den daraus resultierenden Spannungszonen.

In vulkanisch nicht aktiven Regionen nimmt normalerweise die Temperatur um 3 °C pro 100 m Tiefe zu. Fällt der Temperaturanstieg stärker aus, liegt eine geothermische Wärmeanomalie (Abb. 3) vor. Beispielsweise liegt Soultz-sous-Forêts (elsässischer Oberrheingraben) im Zentrum der größten Wärmeanomalie Mitteleuropas (Abb. 2). Hier herrschen in 1.000 m Tiefe bereits 100 °C. Ursache hierfür sind aufsteigende, heiße Tiefenwässer. Die Wärme des Erdinneren entstammt zu etwa 2/3 aus dem Zerfall natürlicher, radioaktiver Isotope (z. B. Uran, Thorium, Kalium) und etwa 1/3 aus der Wärmezufuhr des Erdkerns. Die hier gespeicherte Wärme ist eine Folge der bei der Entstehung der Erde wirkenden Gravitationskräfte. Aus dem Erdinnern fließt beständig ein Wärmestrom im globalen Mittel von 0,063 W/m² an die Oberfläche. In vulkanisch aktiven Gebieten kann er auch bis zu 0,8 W/m² betragen. Die Sonne beeinflusst die Temperatur des Erdreichs nur auf den äußeren ca. 15 – 20 m, tiefer sind jahreszeitliche Schwankungen nicht mehr nachweisbar (Abb. 4).