L'hydrosphère apparaît ainsi comme l'un des systèmes les plus complexes et les plus intégrateurs de la planète Terre. Elle assure le transport de l'énergie, de la matière et des éléments chimiques entre les différentes enveloppes terrestres, régule le climat à toutes les échelles de temps, façonne les paysages, soutient l'ensemble de la biosphère et conditionne le développement des sociétés humaines. Les progrès de l'observation satellitaire, de la modélisation numérique, de la géochimie isotopique et de l'océanographie permettent aujourd'hui d'analyser avec une précision croissante le fonctionnement de ce système global. Toutefois, les perturbations anthropiques contemporaines montrent que l'équilibre de l'hydrosphère demeure fragile et que sa préservation constitue l'un des enjeux scientifiques, environnementaux et sociétaux majeurs du XXI^e siècle.

L'origine de l'hydrosphère terrestre demeure un sujet de recherche actif. Les modèles actuels indiquent que l'eau de la Terre résulte de plusieurs mécanismes complémentaires. Une partie importante provient du dégazage du manteau primitif au cours des premiers centaines de millions d'années suivant la formation de la planète il y a environ 4,54 milliards d'années. Les volcans du jeune globe ont libéré d'importantes quantités de vapeur d'eau, de dioxyde de carbone, d'azote et d'autres gaz. Lorsque la surface terrestre s'est suffisamment refroidie, la vapeur d'eau s'est condensée, donnant naissance aux premiers océans. À cette contribution interne s'ajoute un apport externe provenant des impacts de planétésimaux riches en eau, de certaines chondrites carbonées et probablement de quelques comètes, bien que les analyses isotopiques du rapport deutérium/hydrogène montrent que les comètes ne représentent probablement qu'une fraction limitée de l'eau terrestre. Les signatures isotopiques observées dans les météorites primitives correspondent davantage à la composition isotopique des océans actuels, ce qui suggère que les astéroïdes riches en minéraux hydratés ont joué un rôle majeur dans l'approvisionnement en eau de la Terre.

Aujourd'hui, le volume total de l'hydrosphère est estimé à environ 1,386 milliard de kilomètres cubes d'eau. Plus de 97 % de cette eau est contenue dans les océans sous forme d'eau salée. L'eau douce ne représente qu'environ 2,5 % des réserves mondiales, mais la majeure partie de cette eau douce demeure difficilement accessible puisqu'elle est immobilisée dans les glaciers, les calottes polaires ou les aquifères profonds. Les eaux superficielles directement exploitables par les sociétés humaines (lacs, rivières et zones humides) représentent moins de 0,3 % des réserves mondiales d'eau douce. Cette répartition extrêmement inégale explique la vulnérabilité des ressources hydriques face aux pressions anthropiques et climatiques.

Les océans constituent le principal compartiment de l'hydrosphère. Ils couvrent environ 71 % de la surface terrestre et possèdent une profondeur moyenne proche de 3700 mètres. Les cinq océans actuels (Pacifique, Atlantique, Indien, Austral et Arctique) forment un système continu relié par une circulation mondiale des masses d'eau. Les propriétés physiques des océans sont dominées par leur salinité moyenne d'environ 35 g/L, leur forte capacité calorifique, leur densité variable avec la température et la salinité, ainsi que leur rôle fondamental dans le stockage de chaleur. Les océans absorbent plus de 90 % de l'excès de chaleur produit par le réchauffement climatique actuel et environ un quart des émissions anthropiques de dioxyde de carbone. Ils jouent ainsi un rôle d'amortisseur climatique essentiel, même si cette fonction entraîne un réchauffement des eaux profondes, une acidification progressive des océans et une diminution locale de la concentration en oxygène dissous.

La circulation océanique résulte de la combinaison des vents dominants, de la rotation terrestre, des gradients de densité et de la configuration des bassins océaniques. Les courants de surface, gouvernés principalement par les vents et la force de Coriolis, transportent d'immenses quantités d'énergie thermique entre les régions équatoriales et les hautes latitudes. En profondeur, la circulation thermohaline repose sur les différences de température et de salinité. Les eaux froides et salées formées dans l'Atlantique Nord ou autour de l'Antarctique plongent vers les profondeurs avant de parcourir lentement l'ensemble des océans au cours d'un cycle pouvant durer près d'un millénaire. Cette circulation globale influence fortement le climat, la répartition des nutriments et les échanges de carbone entre l'océan et l'atmosphère.

L'eau continentale constitue un ensemble de réservoirs beaucoup plus modestes mais essentiels au fonctionnement des sociétés humaines et des écosystèmes. Les fleuves assurent le transfert des eaux de ruissellement vers les océans tout en transportant des sédiments, des matières organiques et des éléments nutritifs. Les grands bassins fluviaux, comme ceux de l'Amazone, du Congo, du Mississippi, du Nil ou du Yangtsé, jouent un rôle majeur dans les échanges entre les continents et les océans. Les lacs, qu'ils soient d'origine tectonique, glaciaire, volcanique ou artificielle, constituent des réservoirs importants de biodiversité et participent aux bilans hydrologiques régionaux. Les zones humides, longtemps considérées comme improductives, sont aujourd'hui reconnues comme des milieux essentiels pour la filtration naturelle des eaux, la régulation des crues, le stockage du carbone et un maintien de biodiversité.

Les eaux souterraines représentent l'un des compartiments les plus importants de l'eau douce disponible. Elles occupent les pores et les fractures des roches constituant les aquifères. Leur circulation est généralement beaucoup plus lente que celle des eaux superficielles, pouvant varier de quelques mètres par an à quelques kilomètres par siècle selon la perméabilité des formations géologiques. Les nappes phréatiques alimentent de nombreuses rivières pendant les périodes sèches et assurent une part importante de l'approvisionnement mondial en eau potable et en irrigation. Les aquifères profonds renferment parfois des eaux fossiles infiltrées au cours de périodes climatiques anciennes, il y a plusieurs dizaines de milliers d'années. Leur surexploitation entraîne des conséquences importantes telles que l'abaissement du niveau piézométrique, les intrusions d'eau salée dans les régions côtières et les phénomènes de subsidence.

La cryosphère constitue le compartiment solide de l'hydrosphère. Elle comprend les calottes glaciaires du Groenland et de l'Antarctique, les glaciers de montagne, les banquises, les plateformes de glace flottantes, le pergélisol et les couvertures neigeuses saisonnières. Les glaces continentales représentent près de 69 % des réserves mondiales d'eau douce. Elles jouent un rôle déterminant dans la régulation du niveau marin, de l'albédo planétaire et des circulations atmosphériques et océaniques. Les archives glaciaires permettent également de reconstituer l'histoire climatique sur plusieurs centaines de milliers d'années grâce aux bulles d'air piégées dans les carottes de glace. Le recul accéléré des glaciers et la diminution de la masse des calottes polaires constituent aujourd'hui l'un des indicateurs les plus sensibles du changement climatique global.

L'atmosphère contient une quantité relativement faible d'eau, environ 13 000 km³ sous forme de vapeur, de gouttelettes ou de cristaux de glace. Malgré cette faible proportion, ce compartiment joue un rôle fondamental dans la redistribution rapide de l'eau à l'échelle planétaire. La vapeur d'eau est le principal gaz à effet de serre naturel et intervient dans les transferts d'énergie associés aux changements d'état de l'eau. L'évaporation consomme de la chaleur latente, tandis que la condensation la restitue dans l'atmosphère, alimentant les systèmes convectifs, les cyclones tropicaux et les perturbations météorologiques. Les temps de résidence de l'eau atmosphérique sont très courts, de l'ordre d'une dizaine de jours, ce qui explique le renouvellement rapide de ce compartiment.

L'ensemble de ces échanges est organisé par le cycle hydrologique, également appelé cycle de l'eau. Ce cycle est alimenté principalement par l'énergie solaire et par le champ de gravitation terrestre. L'évaporation des océans constitue la principale source de vapeur d'eau atmosphérique, complétée par l'évaporation continentale et l'évapotranspiration des végétaux. La vapeur est transportée par les circulations atmosphériques avant de se condenser sous forme de nuages puis de précipitations liquides ou solides. Une partie des précipitations retourne directement vers les océans, tandis que le reste alimente les eaux continentales par infiltration, ruissellement ou stockage temporaire dans les sols, la végétation ou les glaciers. Les temps de résidence de l'eau diffèrent considérablement selon les compartiments : quelques jours dans l'atmosphère, plusieurs semaines dans les rivières, plusieurs années dans les lacs, plusieurs siècles dans certains aquifères et plusieurs centaines de milliers d'années dans les grandes calottes glaciaires.

L'hydrosphère est également le siège de nombreux processus géochimiques. L'eau est un excellent solvant capable de dissoudre une grande variété de composés minéraux et organiques. Elle intervient dans l'altération chimique des roches, le transport des ions, la précipitation des minéraux et la formation des sols. Les interactions entre l'eau et les silicates contribuent au cycle du carbone à très long terme en consommant du dioxyde de carbone atmosphérique lors de l'altération continentale avant son transfert vers les océans sous forme d'ions bicarbonate. Ces processus jouent un rôle majeur dans la régulation climatique à l'échelle des temps géologiques.

L'hydrosphère est intimement liée à la biosphère. La vie terrestre dépend directement de la disponibilité de l'eau liquide, qui constitue le principal constituant des cellules vivantes et le milieu des réactions biochimiques fondamentales. Les océans abritent une biodiversité exceptionnelle, depuis les microorganismes planctoniques jusqu'aux grands mammifères marins. Le phytoplancton réalise près de la moitié de la production primaire mondiale et produit une fraction importante de l'oxygène atmosphérique grâce à la photosynthèse. Les écosystèmes aquatiques continentaux hébergent également une biodiversité considérable tout en assurant des services écosystémiques essentiels tels que l'épuration des eaux, la régulation hydrologique et le recyclage des nutriments.

Les interactions entre l'hydrosphère et la lithosphère façonnent les paysages terrestres. Les processus d'érosion fluviale, glaciaire, karstique et marine sculptent les reliefs, transportent les sédiments et construisent les plaines alluviales, les deltas et les marges continentales. Les eaux souterraines participent à la dissolution des roches carbonatées, créant les réseaux karstiques, les grottes et les aquifères fissurés. Les glaciers modèlent profondément les chaînes de montagnes par abrasion et arrachement, laissant derrière eux des vallées en auge, des moraines et de nombreux dépôts glaciaires.

Les activités humaines modifient désormais profondément le fonctionnement de l'hydrosphère. Les barrages transforment les régimes hydrologiques des grands fleuves, les prélèvements excessifs diminuent les ressources souterraines, l'urbanisation accroît le ruissellement et réduit l'infiltration, tandis que les pollutions agricoles, industrielles et domestiques dégradent la qualité des eaux. Les apports excessifs d'azote et de phosphore favorisent l'eutrophisation des milieux aquatiques, entraînant des proliférations d'algues et des épisodes d'hypoxie. Les microplastiques, les composés pharmaceutiques, les métaux lourds et les polluants organiques persistants sont désormais détectés dans pratiquement tous les compartiments de l'hydrosphère, depuis les fosses océaniques jusqu'aux glaciers de haute montagne.

Le changement climatique exerce des effets croissants sur l'ensemble de l'hydrosphère. L'augmentation de la température moyenne entraîne une intensification du cycle hydrologique, caractérisée par une évaporation accrue, des précipitations plus intenses dans certaines régions et des sécheresses plus sévères dans d'autres. La fonte accélérée des glaciers et des calottes polaires contribue à l'élévation du niveau moyen des mers, tandis que le réchauffement des océans favorise la stratification des masses d'eau, modifie les circulations océaniques et accroît la fréquence des vagues de chaleur marines. Les modifications du régime des précipitations affectent la disponibilité en eau douce, les productions agricoles, les écosystèmes et les risques naturels tels que les inondations et les glissements de terrain.

Les hydrosphères ailleurs dans le Système solaire.
Le Système solaire abrite une grande diversité d'hydrosphères, sous des formes très différentes de celle de la Terre, souvent cachées sous des croûtes de glace ou confinées à l'état de vapeur ou de glace en surface.

Vénus constitue le cas extrême d'une planète ayant presque totalement perdu son hydrosphère primitive. Les modèles de formation planétaire suggèrent qu'elle possédait probablement, il y a plus de quatre milliards d'années, des quantités importantes d'eau liquide comparables à celles de la Terre. L'intensification progressive de l'effet de serre provoque cependant un emballement climatique (runaway greenhouse) entraînant l'évaporation complète des océans. La vapeur d'eau atteint alors la haute atmosphère où le rayonnement ultraviolet solaire dissocie les molécules d'eau. L'hydrogène, très léger, s'échappe vers l'espace tandis que l'oxygène est incorporé dans les minéraux ou perdu par divers mécanismes d'érosion atmosphérique. Aujourd'hui, l'atmosphère de Vénus ne contient que quelques dizaines de parties par million de vapeur d'eau, et aucune glace n'est stable à sa surface en raison des températures extrêmes. Sa cryosphère est donc totalement absente. L'étude du rapport isotopique deutérium/hydrogène, très supérieur à celui de la Terre, constitue l'un des principaux indices de cette perte massive d'eau au cours de son évolution.

Mars possède une hydrosphère résiduelle mais bien documentée. De grandes quantités de glace d'eau sont piégées sous les calottes polaires, mélangées à du dioxyde de carbone gelé, ainsi que dans le pergélisol des latitudes moyennes et hautes, détecté par les sondes en orbite et confirmé au sol par des missions comme Phoenix. Des indices radar suggèrent aussi la possible existence de poches d'eau liquide salée sous la calotte polaire sud, bien que cette interprétation reste débattue (plusieurs études proposant plutôt des matériaux argileux conducteurs ou des saumures très concentrées). Les paysages martiens conservent les traces d'une ancienne hydrosphère beaucoup plus active. Les vallées fluviales ramifiées, les deltas, les chenaux de débâcle, les éventails alluviaux, les dépôts lacustres et les minéraux hydratés témoignent de la présence d'eau liquide abondante durant le Noachien et le début de l'Hespérien, il y a environ 4,1 à 3,5 milliards d'années. Les océans proposés pour les basses plaines de l'hémisphère nord demeurent eux aussi débattus, mais plusieurs indices géomorphologiques, sédimentaires et minéralogiques suggèrent qu'un vaste bassin marin a pu exister. Aujourd'hui, la faible pression atmosphérique rend l'eau liquide instable en surface. Elle ne peut subsister que transitoirement sous forme de saumures fortement salées ou dans des environnements confinés. 

Europe, satellite de Jupiter,  possède une cryosphère constituée d'une coquille de glace épaisse de 15 à 30 km selon les modèles, recouvrant un océan global dont la profondeur pourrait atteindre 100 km. Cet océan renfermerait davantage d'eau liquide que tous les océans terrestres réunis. Les fractures, les bandes linéaires, les terrains chaotiques et les mouvements de plaques de glace indiquent une interaction permanente entre la coquille glacée et l'océan sous-jacent. Les effets de marée exercés par Jupiter fournissent l'énergie nécessaire au maintien de cet océan liquide malgré les très basses températures de surface, voisines de 100 K. Les modèles géophysiques suggèrent un fond océanique rocheux où pourraient se produire des réactions hydrothermales comparables à celles des dorsales océaniques terrestres, faisant d'Europe l'un des environnements les plus prometteurs pour la recherche astrobiologique. Des observations avec le télescope Hubble ont par ailleurs suggéré l'existence possible de panaches de vapeur d'eau s'échappant par des fissures de la croûte.

Ganymède, la plus grande lune du Système solaire,  possède également un océan interne, mais son organisation est plus complexe. Les mesures magnétiques de la sonde Galileo indiquent la présence d'un océan salé situé entre plusieurs couches successives de glaces de haute pression. Des observations du champ magnétique par le télescope Hubble ont également apporté des indices indirects de cet océan. La structure interne est souvent décrite comme un sandwich alternant glace Ih, eau liquide et glaces polymorphes plus denses (glaces III, V ou VI). La cryosphère superficielle atteint probablement plus de cent kilomètres d'épaisseur. Les terrains brillants, fortement tectonisés, témoignent d'une histoire marquée par des déformations de la glace liées aux variations thermiques internes et aux effets de marée.

Callisto, autre grand satellite de Jupiter, possède une surface extrêmement ancienne dominée par une cryosphère profondément cratérisée. Les données gravitationnelles et magnétiques suggèrent aussi un océan salé profond situé sous une épaisse couche de glace. L'activité géologique y est cependant beaucoup plus faible que sur Europe ou Ganymède. Sa cryosphère conserve ainsi une mémoire exceptionnelle des impacts ayant marqué le Système solaire externe.

Io constitue une exception remarquable parmi les satellites galiléens. Son intense activité volcanique, alimentée par les effets de marée, maintient des températures suffisamment élevées pour empêcher toute stabilité durable de la glace d'eau à sa surface. Sa cryosphère est pratiquement inexistante. Les rares traces d'eau détectées proviennent principalement de contaminants exogènes ou de faibles quantités incorporées dans certains minéraux. Les glaces dominantes sont composées de dioxyde de soufre, directement liées au volcanisme actif.

Saturne possède une très faible hydrosphère atmosphérique sous forme de vapeur d'eau et de cristaux de glace dans les nuages profonds. L'eau y est surtout présente dans les couches internes où elle constitue l'un des principaux constituants des enveloppes profondes. 

Parmi les satellites de Saturne, Encelade constitue l'un des objets les plus remarquables. Sa cryosphère, épaisse de plusieurs dizaines de kilomètres, recouvre un océan global ou au moins régional situé sous le pôle Sud. Les geysers découverts par la mission Cassini éjectent dans l'espace des jets composés principalement de vapeur d'eau, de cristaux de glace, de sels dissous, de silice nanométrique, de dioxyde de carbone, d'ammoniac et de molécules organiques complexes. Ces observations démontrent l'existence d'interactions hydrothermales entre l'océan et le noyau rocheux. Les fractures polaires, surnommées rayures de tigre, permettent à l'eau liquide sous pression de remonter jusqu'à la surface avant de geler ou de s'échapper dans l'espace. Une partie de cette matière alimente directement l'anneau E de Saturne.

Titan possède une hydrosphère hybride et originale. Sa croûte est essentiellement constituée de glace d'eau, qui joue à très basse température le rôle mécanique des roches silicatées terrestres. Sous cette croûte se trouve probablement un vaste océan global composé d'eau liquide enrichie en ammoniac, lequel agit comme antigel en abaissant la température de fusion. En surface, la température d'environ 94 K interdit l'existence d'eau liquide mais permet celle d'hydrocarbures liquides. Les mers Kraken Mare, Ligeia Mare et Punga Mare, ainsi que de nombreux lacs, sont remplis de méthane et d'éthane liquides. Bien que ces liquides n'appartiennent pas à l'hydrosphère au sens strict, ils constituent une hydrologie méthanique fonctionnant selon des processus analogues au cycle terrestre de l'eau : évaporation, condensation, précipitations, ruissellement et infiltration. Titan est ainsi le seul corps du Système solaire, avec la Terre, où un cycle liquide de surface est actuellement observé.

Les satellites glacés de Saturne, tels que Dioné, Rhéa, Téthys et probablement Mimas, possèdent des cryosphères dominées par la glace d'eau. Dioné et Mimas présentent des indices géophysiques suggérant l'existence passée, voire actuelle, d'océans internes partiels. Les fractures tectoniques, les variations gravitationnelles et certains modèles thermiques indiquent que les effets de marée ont pu maintenir localement de l'eau liquide pendant une partie de leur histoire.

Plusieurs satellites d'Uranus présentent également des cryosphères développées. Parmi eux, certains, tels  que Titania et Obéron pourraient encore conserver de minces océans résiduels riches en ammoniac sous leur croûte glacée.

Le système de Neptune offre plusieurs exemples remarquables. Triton, en particulier, possède une cryosphère complexe composée principalement de glaces d'azote, de méthane, de monoxyde de carbone et de glace d'eau formant le substrat rocheux. Les variations saisonnières entraînent une sublimation et une recondensation des glaces volatiles selon un véritable cycle cryosphérique. Les panaches observés par Voyager 2 résultent vraisemblablement du réchauffement solaire sous une couche translucide de glace d'azote. Les modèles géophysiques suggèrent également un océan interne profond maintenu liquide par la chaleur radiogénique et la présence d'ammoniac.

Pluton, malgré son éloignement et ses températures extrêmes, semble abriter un océan liquide interne, maintenu par la chaleur radiogénique et peut-être par des antigel comme l'ammoniac, comme le suggèrent les observations de la sonde New Horizons sur la région de Sputnik Planitia. Plusieurs modèles suggèrent que certains autres corps transneptuniens pourraient avoir conservé des océans internes durant une grande partie de leur évolution, voire jusqu'à aujourd'hui dans les objets les plus massifs.

Cérès, le plus grand des objets de la ceinture d'astéroïdes, présente une hydrosphère fossile ou partiellement active : la sonde Dawn y a détecté des dépôts de sels hydratés et des indices de saumures résiduelles remontées depuis un réservoir souterrain, notamment dans le cratère Occator.

Enfin, à plus petite échelle, de nombreux astéroïdes et comètes contiennent de la glace d'eau ou des minéraux hydratés, vestiges de la formation du Système solaire; les comètes, en particulier, sont riches en glace d'eau qui se sublime lors de leur passage près du Soleil pour former la chevelure et la queue.