À l'échelle planétaire, le cycle de l'eau peut être considéré comme un système dynamique en quasi-équilibre. Les flux globaux d'évaporation et de précipitation sont approximativement équilibrés à long terme, mais cette moyenne masque de fortes différences régionales. Les océans présentent globalement un excédent d'évaporation par rapport aux précipitations, tandis que les continents présentent globalement un excédent de précipitations par rapport à l'évaporation. La différence continentale est compensée par le transport atmosphérique de vapeur depuis les océans vers les continents et par le retour de l'eau vers les océans sous forme de ruissellement et de circulation souterraine. Ce fonctionnement global assure la fermeture du cycle.

Réservoirs et changements d'état
L'eau présente sur Terre se trouve sous trois états physiques principaux : solide, liquide et gazeux. L'état liquide domine largement dans les océans, les mers, les lacs, les cours d'eau, les sols et les eaux souterraines. L'état solide est représenté principalement par les glaciers continentaux, les calottes glaciaires, la neige saisonnière, le pergélisol et la glace marine. L'état gazeux correspond à la vapeur d'eau atmosphérique, invisible à l'oeil nu, qui constitue un constituant variable mais essentiel de l'atmosphère.

Les changements d'état entre ces trois formes constituent des mécanismes fondamentaux du cycle hydrologique. L'évaporation transforme l'eau liquide en vapeur; la condensation transforme la vapeur en eau liquide; la congélation produit de la glace à partir de l'eau liquide; la fusion produit de l'eau liquide à partir de la glace; la sublimation correspond au passage direct de l'état solide à l'état gazeux; la déposition, ou condensation solide, correspond au passage inverse de la vapeur vers la glace. Ces transformations impliquent des échanges d'énergie considérables sous forme de chaleur latente et participent ainsi directement au fonctionnement du système climatique.

L'évaporation.
Les océans constituent de très loin le principal réservoir d'eau de la planète et jouent un rôle central dans le cycle hydrologique. Ils contiennent environ 97 % de l'eau terrestre, essentiellement sous forme d'eau salée. Leur immense superficie fournit une interface considérable avec l'atmosphère, à travers laquelle s'effectue une évaporation permanente. Sous l'action du rayonnement solaire, une partie des molécules d'eau situées à la surface des océans acquiert suffisamment d'énergie pour quitter la phase liquide et rejoindre l'atmosphère sous forme de vapeur. L'évaporation est particulièrement importante dans les régions tropicales et subtropicales, où le rayonnement solaire est intense et où les températures de surface sont élevées. Elle dépend également de l'humidité relative de l'air, de la vitesse du vent, de la température de surface et de la structure de la couche limite atmosphérique.

L'évaporation se produit également à partir des lacs, des rivières, des sols humides, des zones marécageuses, des surfaces enneigées ou glacées et des réservoirs artificiels. Sur les continents, l'eau qui retourne directement à l'atmosphère par évaporation représente une composante majeure du bilan hydrologique. À cette évaporation physique s'ajoute la transpiration des végétaux. Les plantes absorbent l'eau du sol grâce à leurs systèmes racinaires, la transportent dans leurs tissus conducteurs et en libèrent une partie dans l'atmosphère par les stomates de leurs feuilles. Le flux combiné de l'évaporation depuis les surfaces et de la transpiration végétale est appelé évapotranspiration. Il constitue un transfert essentiel entre la surface continentale et l'atmosphère.

L'évapotranspiration joue un rôle particulièrement important dans les régions couvertes par la végétation. Elle dépend de la disponibilité de l'eau dans le sol, de la température, du rayonnement solaire, du déficit de pression de vapeur, du vent, de la nature de la couverture végétale et des caractéristiques physiologiques des plantes. Dans une forêt humide, une quantité considérable d'eau précipitée peut ainsi être rapidement recyclée vers l'atmosphère par évapotranspiration. Dans les régions arides, au contraire, la faible disponibilité de l'eau limite fortement ce flux. 

Condensation et précipitations.
La vapeur d'eau introduite dans l'atmosphère est ensuite transportée par les mouvements de l'air. La circulation atmosphérique redistribue ainsi l'humidité à l'échelle régionale et planétaire. Les masses d'air peuvent transporter de grandes quantités de vapeur depuis les océans vers les continents, des régions tropicales vers les moyennes latitudes ou des basses latitudes vers les hautes latitudes. Une partie de cette vapeur demeure toutefois dans l'atmosphère pendant une durée relativement courte. Le temps de résidence moyen de la vapeur d'eau atmosphérique est de l'ordre d'une dizaine de jours, ce qui contraste fortement avec le temps de résidence de l'eau dans certains autres réservoirs, notamment les océans profonds ou les calottes glaciaires.

Lorsque l'air humide se refroidit ou lorsque sa teneur en vapeur d'eau augmente jusqu'à atteindre la saturation, la vapeur peut se condenser. La condensation nécessite généralement la présence de noyaux de condensation atmosphériques, constitués notamment de poussières minérales, de sels marins, de particules volcaniques, de sulfates ou de composés organiques. Les molécules d'eau s'agrègent autour de ces particules et forment de minuscules gouttelettes liquides ou des cristaux de glace. Les nuages résultent de l'accumulation de ces particules hydrométéoriques dans l'atmosphère. Ils constituent donc une étape intermédiaire essentielle entre la vapeur d'eau et les précipitations.

La formation des nuages est étroitement liée aux mouvements verticaux de l'atmosphère. Lorsqu'une masse d'air humide s'élève, sa pression diminue et elle se détend. Cette détente entraîne son refroidissement, généralement selon un processus adiabatique. Lorsque la température atteint le niveau de condensation, la vapeur d'eau commence à se condenser. Le refroidissement atmosphérique peut résulter de plusieurs mécanismes : convection thermique, soulèvement orographique lorsqu'une masse d'air rencontre une montagne, convergence de masses d'air ou passage de fronts atmosphériques. La dynamique des nuages dépend ensuite de nombreux processus microphysiques impliquant la croissance des gouttelettes, la formation de cristaux de glace, les collisions entre particules hydrométéoriques et les échanges de vapeur entre phases liquide et solide.

Lorsque les particules présentes dans les nuages atteignent une taille suffisante, elles peuvent tomber sous l'effet de la pesanteur et donner naissance aux précipitations. Celles-ci prennent différentes formes selon la température et les conditions atmosphériques rencontrées sur leur trajet : pluie, neige, grésil, neige fondue ou grêle. Les précipitations représentent le principal mécanisme par lequel l'eau atmosphérique retourne vers la surface terrestre. Leur distribution spatiale et temporelle est extrêmement hétérogène. Les régions équatoriales reçoivent généralement des précipitations abondantes, tandis que certaines régions subtropicales et polaires présentent des déficits hydriques importants. Les reliefs produisent également de fortes disparités, les versants exposés aux vents dominants recevant souvent davantage de précipitations que les régions situées sous le vent.

Infiltration et eaux souterraines.
Une fois arrivée à la surface des continents, l'eau précipitée peut suivre plusieurs trajectoires. Une partie est interceptée par la végétation avant même d'atteindre le sol. Cette interception est particulièrement importante dans les forêts, où les feuilles, les branches et les troncs peuvent retenir temporairement une quantité importante d'eau. Une partie de cette eau s'évapore directement vers l'atmosphère, tandis qu'une autre atteint progressivement le sol sous forme d'égouttement ou d'écoulement le long des troncs. L'interception végétale ralentit donc le transfert de l'eau vers le sol et contribue à réduire l'intensité des écoulements superficiels.

L'eau qui atteint le sol peut s'infiltrer dans le substrat. L'infiltration correspond à la pénétration de l'eau depuis la surface vers les horizons superficiels du sol et, éventuellement, vers les formations géologiques sous-jacentes. Son intensité dépend de la perméabilité du sol ou de la roche, de sa texture, de sa structure, de sa porosité, de son degré de saturation, de la pente et de l'intensité des précipitations. Les sols sableux et graveleux présentent généralement une forte capacité d'infiltration, tandis que les sols argileux peuvent être beaucoup moins perméables. La présence de végétation et de matière organique peut favoriser l'infiltration en améliorant la structure du sol et en développant des réseaux de pores et de conduits.

Une partie de l'eau infiltrée demeure dans les horizons superficiels du sol. Elle constitue l'eau du sol, indispensable au fonctionnement de la biosphère continentale. Cette eau est soumise à des forces gravitaires, capillaires et moléculaires. Elle peut être absorbée par les racines des végétaux, être transférée latéralement dans les horizons pédologiques ou être progressivement évaporée. La quantité d'eau disponible pour les plantes dépend notamment de la texture du sol et de la manière dont l'eau y est retenue. Une partie de l'eau peut être fortement liée aux particules minérales et devenir difficilement accessible aux racines, tandis qu'une autre partie est suffisamment mobile pour être utilisée par les organismes végétaux.

Lorsque l'eau dépasse la capacité de rétention des horizons superficiels, elle peut poursuivre sa migration verticale. Elle traverse alors la zone non saturée, dans laquelle les pores contiennent simultanément de l'air et de l'eau, puis peut atteindre la zone saturée. Cette dernière constitue le domaine des eaux souterraines, où les pores ou les fractures sont entièrement remplis d'eau. La surface supérieure de cette zone est appelée nappe phréatique. Les aquifères sont des formations géologiques suffisamment poreuses et perméables pour stocker et transmettre des quantités significatives d'eau souterraine. Ils représentent un réservoir majeur du cycle hydrologique continental.

Les eaux souterraines entretiennent des échanges permanents avec les rivières, les lacs, les zones humides, les océans et les sols. Dans certaines conditions, les nappes alimentent les cours d'eau par des écoulements souterrains. Ce phénomène, appelé drainage de base, permet à de nombreuses rivières de conserver un débit pendant les périodes sans précipitations. Inversement, lorsque le niveau d'un cours d'eau est supérieur à celui de la nappe environnante, l'eau peut s'infiltrer depuis la rivière vers l'aquifère. Les échanges entre eaux de surface et eaux souterraines dépendent donc des gradients hydrauliques et des propriétés hydrogéologiques du milieu.

L'eau souterraine peut également circuler sur de longues distances à travers les aquifères. Sa vitesse varie considérablement selon la perméabilité, la porosité, la fracturation et le gradient hydraulique. Dans certains aquifères très perméables, la circulation peut être relativement rapide, tandis que dans des formations peu perméables, elle peut être extrêmement lente. Les temps de résidence des eaux souterraines peuvent ainsi aller de quelques jours ou années à plusieurs milliers, voire plusieurs millions d'années dans certains systèmes profonds. Les eaux souterraines constituent donc à la fois un réservoir actif du cycle hydrologique et une archive des conditions hydrologiques passées.

Ruissellement et réservoirs de surface.
Une autre partie des précipitations alimente directement les écoulements superficiels. Lorsque l'intensité des précipitations dépasse la capacité d'infiltration du sol, l'eau s'accumule à la surface et commence à s'écouler. Elle se concentre progressivement dans des dépressions, des rigoles, des ravines et finalement des chenaux. Les écoulements de surface alimentent les ruisseaux, les rivières et les fleuves. Le réseau hydrographique constitue ainsi l'un des principaux systèmes de transfert de l'eau continentale vers les océans. La vitesse et la quantité de cette circulation dépendent du relief, de la nature des sols et des roches, de la couverture végétale, de l'occupation humaine des territoires et de la structure des bassins versants.

Le bassin versant constitue une unité fondamentale pour l'étude du cycle hydrologique continental. Il correspond à l'ensemble du territoire dont les eaux convergent vers un même exutoire. Les limites d'un bassin versant sont généralement définies par les lignes de partage des eaux, mais les circulations souterraines peuvent parfois dépasser ces limites topographiques. Le bilan hydrologique d'un bassin dépend des précipitations reçues, de l'évapotranspiration, de l'infiltration, des variations du stockage de l'eau dans les sols et les aquifères ainsi que des exportations par les cours d'eau. Cette approche permet de quantifier les flux et de comprendre la réponse hydrologique d'un territoire aux variations climatiques.

Les lacs et les zones humides constituent des réservoirs intermédiaires particulièrement importants. Les lacs stockent temporairement l'eau provenant des précipitations, des rivières, des nappes et de la fonte des neiges et des glaciers. Ils peuvent ensuite restituer cette eau par évaporation, infiltration ou écoulement vers l'aval. Les zones humides, quant à elles, correspondent à des milieux où l'eau est présente de manière permanente ou temporaire à proximité de la surface. Elles ralentissent les écoulements, favorisent l'infiltration et peuvent jouer un rôle important dans l'écrêtement des crues. Elles participent également aux échanges de vapeur d'eau avec l'atmosphère et abritent des écosystèmes particulièrement riches.

Les glaciers et les calottes glaciaires représentent un autre réservoir majeur du cycle hydrologique. Ils stockent l'eau sous forme solide pendant des périodes pouvant atteindre plusieurs milliers, voire plusieurs centaines de milliers d'années. La neige qui s'accumule dans les régions froides se transforme progressivement en névé puis en glace sous l'effet de la compaction. Cette glace peut ensuite s'écouler lentement sous l'effet de la gravité. Dans les glaciers de montagne, la fonte superficielle et basale restitue une partie de cette eau aux systèmes fluviaux. Les calottes glaciaires du Groenland et de l'Antarctique constituent des réservoirs beaucoup plus importants et leur évolution influence directement le niveau moyen des mers.

La neige joue également un rôle hydrologique majeur dans les régions tempérées et polaires. Elle fonctionne comme un réservoir saisonnier : les précipitations hivernales sont stockées sous forme solide, puis restituées au printemps et en été lors de la fonte. Dans de nombreux bassins montagneux, la fonte nivale représente une composante essentielle du débit des rivières. Le réchauffement climatique modifie toutefois la durée de la couverture neigeuse, la date de la fonte et la proportion des précipitations tombant sous forme de pluie plutôt que de neige. Ces changements peuvent modifier profondément la saisonnalité des ressources en eau.

Le pergélisol, ou permafrost, constitue lui aussi un réservoir hydrologique particulier. Il correspond à des sols ou des roches dont la température demeure inférieure ou égale à 0 °C pendant au moins deux années consécutives. Une partie de l'eau y est immobilisée sous forme de glace. Dans les régions arctiques et subarctiques, le dégel saisonnier de la couche active permet cependant une circulation temporaire de l'eau. Le réchauffement du climat entraîne une modification de la stabilité du pergélisol, avec des conséquences sur les flux hydrologiques, la morphologie des terrains et les échanges de carbone entre les sols et l'atmosphère.

Les océans reçoivent finalement la majeure partie de l'eau provenant des continents par l'intermédiaire des fleuves, des eaux souterraines et des glaciers. Le transfert des continents vers les océans constitue l'une des branches essentielles du cycle hydrologique. Cependant, le cycle ne s'arrête pas à cette étape : l'eau océanique est continuellement réintroduite dans l'atmosphère par évaporation. Le système fonctionne donc comme une immense circulation entre océans, atmosphère et continents, avec des flux qui varient dans le temps et dans l'espace.
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Cycle de l'eau et cycle énergétique.
Le cycle hydrologique possède une dimension énergétique fondamentale. L'évaporation consomme de l'énergie sous forme de chaleur latente, tandis que la condensation libère cette énergie dans l'atmosphère. L'eau constitue ainsi un vecteur majeur de transfert de chaleur depuis la surface terrestre vers l'atmosphère. Dans les régions tropicales, une grande quantité d'énergie solaire est absorbée par l'évaporation des eaux océaniques. Lorsque la vapeur est transportée vers des régions plus froides et se condense, l'énergie latente est libérée et contribue aux mouvements atmosphériques. 

Cette relation entre eau et énergie explique notamment l'importance de la vapeur d'eau dans l'effet de serre. La vapeur d'eau est le principal gaz à effet de serre naturel de l'atmosphère en termes d'abondance et joue un rôle majeur dans la régulation thermique de la Terre. Elle absorbe une partie du rayonnement infrarouge émis par la surface et contribue ainsi au maintien d'une température compatible avec la présence d'eau liquide. Toutefois, contrairement au dioxyde de carbone, la vapeur d'eau est principalement contrôlée par la température et les processus de condensation et de précipitation. Elle agit donc surtout comme une rétroaction du système climatique : lorsque la température augmente, l'atmosphère peut contenir davantage de vapeur d'eau, ce qui tend à amplifier le réchauffement initial.

Les nuages interviennent également dans le bilan radiatif terrestre. Ils réfléchissent une partie du rayonnement solaire incident vers l'espace, produisant un effet refroidissant, mais ils absorbent et réémettent également le rayonnement infrarouge terrestre, produisant un effet réchauffant. Le bilan net dépend du type, de l'altitude, de l'épaisseur et de la couverture des nuages. Les nuages constituent ainsi l'un des éléments les plus complexes du système climatique et l'une des principales sources d'incertitude dans la compréhension des rétroactions climatiques.

Les interactions avec les autres cycles géochimiques.
Le cycle de l'eau entretient par ailleurs des relations étroites avec l'érosion et l'évolution des reliefs. Les précipitations alimentent les écoulements qui incisent les vallées, transportent les sédiments et modifient progressivement la topographie. L'eau participe à l'altération chimique des minéraux, notamment par hydrolyse, dissolution, hydratation et oxydation. Elle facilite ainsi la transformation des roches et contribue à la formation des sols. Les cours d'eau transportent ensuite les produits de l'altération vers les bassins sédimentaires et finalement vers les océans. Le cycle hydrologique constitue donc un agent majeur du cycle géomorphologique et du cycle géochimique.

L'eau participe également au cycle du carbone. Elle dissout le dioxyde de carbone atmosphérique et favorise sa transformation en espèces carbonatées et bicarbonatées dans les eaux naturelles. L'altération chimique des silicates consomme du dioxyde de carbone atmosphérique à long terme et transfère une partie du carbone vers les océans sous forme dissoute. Les organismes aquatiques utilisent ensuite ces composés carbonés pour construire leurs structures biologiques ou produire des carbonates. Les sédiments marins peuvent finalement enfouir une fraction de ce carbone pendant des temps géologiques considérables. Le cycle de l'eau agit ainsi comme un puissant médiateur du cycle géochimique du carbone.

Les interactions avec le cycle de l'azote, du phosphore et du soufre sont également importantes. L'eau dissout, transporte et redistribue de nombreux éléments chimiques dans les sols et les écosystèmes. Elle constitue le milieu dans lequel se déroulent une grande partie des réactions biochimiques. Les nutriments libérés par l'altération des roches ou la décomposition de la matière organique peuvent être transportés par les eaux de ruissellement vers les cours d'eau, les lacs et les océans. Les activités humaines peuvent toutefois accélérer ces flux, notamment par l'utilisation d'engrais et le rejet d'eaux usées, entraînant parfois une eutrophisation des milieux aquatiques.

Les organismes vivants contiennent une proportion importante d'eau et participent à son transfert entre différents réservoirs. Les végétaux absorbent l'eau du sol, les animaux l'ingèrent directement ou par l'intermédiaire de leur alimentation, puis les organismes la restituent par excrétion, respiration et transpiration. À l'échelle globale, cette composante biologique demeure relativement faible par rapport aux immenses réservoirs océaniques, mais elle exerce une influence considérable sur les flux continentaux et sur la structure des écosystèmes.

Les perturbations anthropiques.
L'activité humaine modifie profondément le cycle hydrologique. L'agriculture constitue l'une des principales utilisations de l'eau douce. L'irrigation prélève de grandes quantités d'eau dans les cours d'eau, les lacs et les aquifères et modifie leur disponibilité pour les autres usages et les écosystèmes. Les barrages et les réservoirs artificiels transforment également la dynamique naturelle des écoulements en stockant temporairement l'eau et en modifiant la saisonnalité des débits. Les villes entraînent quant à elles une imperméabilisation des sols qui réduit l'infiltration et augmente généralement le ruissellement rapide, ce qui peut accentuer les risques d'inondation.

La surexploitation des nappes souterraines constitue une autre perturbation majeure. Lorsque les prélèvements dépassent durablement la recharge naturelle, le niveau des nappes diminue. Cette baisse peut provoquer l'assèchement de sources, la diminution des débits des rivières, l'affaissement de certains terrains et, dans les régions côtières, l'intrusion d'eau salée dans les aquifères. Les effets peuvent persister longtemps après la réduction des prélèvements en raison du temps nécessaire à la recharge des réservoirs souterrains.

Le changement climatique modifie également le cycle hydrologique à l'échelle planétaire. L'augmentation de la température accroît la capacité de l'atmosphère à contenir de la vapeur d'eau et intensifie potentiellement les échanges entre surface et atmosphère. Le réchauffement modifie également les régimes de précipitations, la fréquence et l'intensité de certains événements extrêmes, l'enneigement, la fonte des glaciers et l'évapotranspiration. Dans certaines régions, les précipitations deviennent plus irrégulières alors que les épisodes de fortes précipitations peuvent devenir plus intenses. Dans d'autres, l'augmentation de l'évaporation et la diminution des précipitations moyennes accentuent les déficits hydriques.

Le réchauffement des régions polaires et de haute montagne entraîne une réduction de nombreux stocks de glace. La fonte des glaciers contribue à l'élévation du niveau marin et modifie les régimes hydrologiques des bassins qui dépendent de la fonte glaciaire. À court terme, l'augmentation de la fonte peut accroître certains débits estivaux, mais à plus long terme, la réduction du volume glaciaire diminue la capacité de ces glaciers à fournir de l'eau pendant les périodes chaudes et sèches. Le rôle hydrologique des glaciers doit donc être compris à la fois comme celui d'un réservoir et comme celui d'un régulateur saisonnier.