沙漠地下有著豐富的地下水，是日積月累，一年一年累積起來的。就我國的塔克拉瑪幹沙漠而言，地下水的儲量就高達８萬億立方米以上，可以說是一個麵積巨大的地下海了！塔克拉瑪幹大沙漠原來並不缺水，近年來，經過國內一流專家的調查研究，結果顯示，在22.5萬平方公裏的塔克拉瑪幹沙漠腹地，地下水儲藏量達到８萬億立方米以上，相當於８條長江的流量。如果將這些水全部抽上來，可以在這22.5萬平方公裏沙漠鋪上36米厚的水層，幾乎接近撒哈拉地下海的3倍。如果將之稱為地下海，是一點兒也不過分的。塔裏木盆地常年有水的河流共144條，大部分都是流程短、水量小的河流。其中每年流量在5億～10億立方米的河流有7條，年徑流量大於10億立方米的河流有8條。盆地內河流總徑流量達392億立方米。這些河流，在工農業生產和生活引水、沿程蒸發和植物蒸騰耗水後，都以塔克拉瑪幹沙漠為歸宿。
沙漠地下水的豐富，也與沙漠的環境分不開。沙漠巨厚的沙層，成為貯存地下水的良好條件，河水的入滲、側向地下水流入，形成豐富的潛水，埋藏也不會很深。而且，鬆散的沙層，沒有什麼結構，不具有毛細管作用，滲下去的水，不會再因蒸發而散失，因此，形成水位淺、含水層厚、分布麵積大的水文地質條件，為開發利用創造了良好的條件。從水質條件看，因為對沿途鹽分的溶解，礦化度相對較高，大部分在3～10克／升之間，但還屬於可淨化的水，隻是在沙漠北麵、東麵，水的礦化度很高，每升含鹽量可達到數十克甚至上百克以上，現有的淨化手段很難使它們淡化，這些地方，應該說是塔克拉瑪幹的真正的缺水區。但這種“缺水”，不是沒有水，而是沒有可以利用的水。
塔克拉瑪幹，也有淡水的存在，主要在沙漠中季節過水河床的兩側，由於有淡水的定期補給，使潛水被淡化，稱為“衝淡型潛水”。但是，河水入滲的寬度是有限的，一般在200～500米之間，而在河流轉彎處的凹岸，衝淡影響的寬度自然大一些，有時可達數公裏。這些淡水聚集成紡錘狀，在水文地質上稱為“淡水透鏡體”，但這種淡水透鏡體厚度不會很大，一般小於30米，找到這些淡水透鏡體，在沙漠的開發中意義十分重大。