地球表層的水由地球內部逸出，經過約35億年的積聚和演變，逐漸形成今天的水圈。水圈的形成不僅改變了巖石圈的面貌，使大氣圈中的現象變得復雜多樣，而且導致生物圈的出現。因此，水的出現和水圈的形成，是地球自然歷史中最重大的事件。
水文學的研究領域十分寬廣。從大氣中的水到海洋中的水，從陸地表面的水到地下水，都是水文科學的研究對象；水圈同大氣圈、巖石圈和生物圈等地球自然圈層的相互關系，也是水文學的研究領域；水文科學不僅研究水量，而且研究水質，不僅研究現時水情的瞬息動態，而且探求全球水的生命史，預測它未來的變化趨勢。
陸地上的水量雖然只約占全球總水量的3.5%，但淡水幾乎都分布在陸地。整個人類生活在陸地，最復雜的水文過程也發生在陸地，因此對陸地上的水的研究尤其受到人們的重視。陸地水文學是水文科學的主要組成部分。有關海洋和大氣中的水文知識，現已分別歸入海洋學和大氣科學的範疇裏了。
水文學的研究對象
地球上現有約13.9億立方公裏的水，它以液態、固態和氣態分布於地面、地下和大氣中，形成河流、湖泊、沼澤、海洋、冰川、積雪、地下水和大氣水等水體，構成壹個浩瀚的水圈。水圈處於永不停息的運動狀態，水圈中各種水體通過蒸發、水汽輸送、降水、地面徑流和地下徑流等水文過程緊密聯系，相互轉化，不斷更新，形成壹個龐大的動態系統。
在這個系統中，海水在太陽輻射下蒸發成水汽升入大氣，被氣流帶至陸地上空，在壹定的天氣條件下，形成降水落到地面。降落的水壹部分重新蒸發返回大氣，另壹部分在重力作用下，或沿地面形成地面徑流，或滲入地下，形成地下徑流，通過河流匯入湖泊，或註入海洋。從海洋或陸地蒸發的水汽上升凝結，在重力作用下直接降落在海洋或陸地上。
水的這種周而復始不斷轉化、遷移和交替的現象稱水文循環。不過，上述只是全球水文循環輪廓的幾筆速寫，而水文循環的實際情況要復雜得多。在地面以上平均約11公裏的大氣對流層頂至地面以下1～2公裏深處的廣大空間，無處不存在水文循環的行蹤。
不同緯度帶的大氣環流使壹些地區成為蒸發大於降水的水汽源地，而使另壹些地區成為降水大於蒸發的水汽富集區；不同規模的跨流域調水工程能夠改變地面徑流的路徑，全球任何壹個地區或水體都存在著各具特色的區域水文循環系統，各種時間尺度和空間尺度的水文循環系統彼此聯系著、制約著，構成了全球水文循環系統。
全球每年約有577000立方公裏的水參加水文循環。水文循環的內因，是水在自然條件下能進行液態、氣態和固態三相轉換的物理特性，而推動如此巨大水文循環系統的能量，是太陽的輻射能和水在地球引力場所具有的勢能。
水文循環是自然界最重要的物質循環，它成雲致雨，影響著壹個地區的氣候和生態，塑造地貌和實現地球化學物質的遷移，像鏈條壹樣連結著全球的生命，為人類提供不斷再生的淡水資源和水能資源。水文循環使我們生活的星球變得生機勃勃。倘若沒有水和水文循環，我們的星球會像月球壹樣，是壹幅沒有生命，寂靜荒漠的圖景。
水在循環過程中的存在和運動的各種形態，如蒸發、降水、河流和湖泊中的水位漲落、冰情變化、冰川進退、地下水的運動和水質變化等，統稱水文現象。水文現象在各種自然因素和人類活動影響下，在空間分布或時間變化上都顯得十分復雜。
水文現象的時間變化過程存在著有周期而又不重復的性質，壹般稱為“準周期”性質。例如，潮汐河口的水位存在以半個或壹個太陰日為周期的日變化；河流每年出現水量豐沛的汛期和水量較少的枯季；通過長期觀測可以看到，河流、湖泊的水量存在著連續豐水年與連續枯水年的交替，表現出多年變化。
形成這種周期變化的基本原因，是地球的公轉和自轉、地球和月球的相對運動，還包括太陽活動，如太陽黑子的周期性運動的影響。它們導致太陽輻射的變化和季節的交替，使水文現象也出現相應的周期變化。當然，水文現象還受眾多其他因素的影響，這些因素自身在時間上也不斷地變化，並且相互作用和相互影響著。
水文學簡史
人類探索除水害、興水利的歷史，猶如人類的文明史那樣悠久。在生產實踐中，特別在與水旱災害的鬥爭中，人類不斷觀測各種水文現象，思考和研究它們的規律，積累起關於水的豐富知識，逐漸形成、並不斷發展了水文科學。
水文學源遠流長，經歷了漫長的醞釀時期，而它的飛躍發展則是最近壹個世紀的事。同自然科學的許多學科相似，人們還難以找出公認的裏程碑，把水文科學的歷史進程劃分成若幹明確的階段。我們只是順著它前進的足跡，大體劃分以下。
萌芽時期(遠古至約公元1400年)
在尼羅河、幼發拉底河、恒河和黃河這些古老文化發祥地的遺跡中，我們可以看到這壹時期已經開始了原始的水文觀測。最早的水位觀測是在中國和埃及開始的。
約公元前22世紀，中國傳說中的大禹治水，已“隨山刊木”(立木於河中)，觀測河水漲落。此後，戰國時李冰設於都江堰的“石人”，隋代的石刻水則，宋代的水則碑等，表明水位觀測不斷進步。
最早的雨量觀測於公元前四世紀首先在印度出現，中國於公元前三世紀的秦代已開始有呈報雨量的制度，到了公元1247年，已有了較科學的雨量器和雨深計算方法，並開始用“竹籠驗雪”以計算平地降雪深度。明代劉天和在治理黃河工作中，已采用手制“乘沙量水器”測定河水中泥沙的數量。
中國古籍《呂氏春秋》中寫道：“雲氣西行雲雲然，冬夏不輟；水泉東流，日夜不休，上不竭，下不滿，小為大，重為輕，國道也。”提出了樸素的水文循環概念。成書於公元約六世紀初的《水經註》中，記述了當時中國境內1252條河流的概況，成為水文地理考察的先驅。
誠然，這些原始的水文觀測和水文知識是膚淺零星的，但已為當時生活和生產提供了重要的水文資料。例如，根據雨量多少決定稅收的多少，根據上遊的水位向下遊傳遞水情等，標誌著水文科學的萌芽。
奠基時期(約1400～1900)
歐洲文藝復興帶來的科學思想的解放和科學技術的進步，為水文科學發展成為獨立的學科奠定了基礎。這壹時期，水文儀器的發明使水文觀測進入了科學的定量觀測階段。
1663年雷恩和胡克創制了翻鬥式自記雨量計，1687年哈雷創制測量水面蒸發量的蒸發器，1870年埃利斯發明旋槳式流速儀，1885年普賴斯發明旋杯式流速儀。這些近代水文儀器使流量、流速、蒸發、降水的觀測達到了相當的精度，利用這些近代水文儀器進行水文觀測的各種水文站陸續出現。
1746年，中國在黃河老壩口設立了全國第壹個正規水位站，開始系統觀測水位，並進行報汛。這些成就使水文現象的觀測視野在深度和廣度上空前擴大，為水文科學在理論上的發展創造了條件。
在這壹時期，近代水文科學理論開始逐漸形成。1674年佩羅提出了水量平衡的概念，成為水文科學最基本的原理之壹；1738年伯努利父子發表水流能量方程，1775年謝才發表明渠均勻流公式；1802年道爾頓建立了研究水面蒸發的道爾頓公式；1856年，達西發表了描述孔隙介質中地下水運動的達西定律；1851年莫萬尼提出了匯流和徑流系數的概念，並發表了計算最大流量的著名推理公式。
這些科學理論的創立，為水文科學在河道水流、蒸發、地下水運動、徑流形成和水文循環等領域的發展奠定了理論基礎，它表明人類對水文現象的認識已由萌芽時期那種膚淺零星的知識，發展到了比較深刻系統的知識。同時也表明，人類對地球上水的運動、變化規律的探索，已發展到以大量觀測事實為基礎，進行假說、演繹和推理，進而建立各理論體系的近代科學方法論。
19世紀末，專門水文研究機構開始出現，壹些國家開始出版水文年鑒。弗裏西著的《河流水文測驗方法》、福雷爾著的《日內瓦湖湖泊誌》、馬略特著的《水的運動》等水文學專著陸續出版。這些著作總結了當時水文觀測和理論研究的成就，標誌著水文科學作為壹門近代科學已奠定基礎。
應用水文學興起時期(約1900～1950)
這壹時期，水文科學在觀測方法，理論體系和研究領域等方面繼續取得新成就，但它最重要的進展是應用水文學的興起。
進入20世紀，特別是第壹次世界大戰以後，大量興起的防洪、灌溉、交通工程和農業、林業乃至城市建設向水文科學提出越來越多的新課題，解決這些課題的方法也由經驗的、零碎的逐漸理論化和系統化，水文科學的應用特色逐漸表現出來。
首先，從1914年到1924年，經過黑曾、福斯特等人的工作，把概率論、數理統計的理論和方法系統地引入了水文科學，使水文變量(如洪峰和洪量)和它出現的機率聯系起來，為預估工程未來運行時期內可能出現的水文情勢開辟了道路。
接著，從1932年到1938年，謝爾曼、霍頓、麥卡錫、斯奈德等人在產流和匯流計算方面取得開拓性進展，為根據降雨推算洪水開辟了道路。隨後，克拉克、林斯雷等人在單位線、多個水文變量聯合分析和徑流調節的理論、方法等方面發展並豐富了上述的內容。
在此期間，水文站在世界範圍內發展成規模宏大的水文站網系統，這些成就為應用水文學的興起在理論上、方法上和資料條件方面奠定了基礎，並率先形成了它最重要的分支學科——工程水文學。接著，農業水文學、森林水文學、都市水文學也相繼興起。
1949年，林斯雷和柯勒、保羅赫斯合著《應用水文學》；同年，姜斯敦和克樂斯合著的《應用水文學原理、美國土木工程師學會編著的《水文學手冊》等應用水文學專著陸續問世，總結了這壹時期的成就，標誌著應用水文學的誕生。應用水文學，以它直接為生產和生活提供多方面服務這壹鮮明特征，獲得迅速發展，成為近代水文科學體系中最富有生氣的分支學科。
現代水文學
20世紀50年代以來，社會生產規模空前擴大，科學技術進入了新的發展時期，並正在出現新的技術革命，人類改造自然的能力迅速增強，人與水的關系已經由古代的趨利避害，和近代較低水平的興利除害，發展到了現代較高水平的興利除害的新階段。這個新階段賦予水文科學以新的動力和新的特色。
首先，由於人類對水資源的突出需求，水文科學的研究領域正在向著為水資源最優開發利用的方向發展，以期為客觀評價、合理開發、充分利用和保護水資源提供科學依據；
其次，大規模的人類活動對自然水體，進而對自然環境正在產生多方面的影響。研究和評價人類活動的水文效應和這種效應的環境意義，揭示人類活動影響下水文現象的規律，進而探討水文分析的新方法和新途徑，防止人類活動對水文循環的影響朝著不利於人類生存環境的方向發展，這壹切正在成為水文科學面臨的新課題。
另外，現代科學技術使獲取水文信息的手段和分析水文信息的方法有了長足的進步。例如，遙感技術的應用，使同時觀測大範圍內的宏觀水文現象成為可能；核技術的應用使人們能夠獲得微觀水文信息；水文模擬方法、水文隨機分析方法、水文系統分析方法，使人們研究水文現象的能力發展到新的水平；尤其是電子計算機的應用，使水文科學從水文觀測到基本規律的研究，由人力和機械操作，發展到以電子計算機為核心的自動化。
水文科學和其他科學之間的邊緣科學正在不斷興起，學科間的空隙逐漸得到填補。同時，人們開始看到，水已成為影響社會發展的重要因素。水在表現它的自然屬性的同時，它的社會屬性也日益表現出來，並逐漸為人們所認識。因此，水文科學將有可能發展成為具有自然科學和社會科學雙重性質的壹門綜合性科學。
水文學的研究特點
水文循環是自然界各種水體的存在條件和相互聯系的紐帶，是水的各種運動、變化形式的總和，是水文科學研究的主要對象和核心內容；而在水文循環過程中，水文現象所表現出的特點，決定了水文科學研究的特點。
首先，水文科學把各種水文現象作為壹個整體，並把它們同大氣圈、巖石圈、生物圈和人類活動對它們的影響結合起來進行研究。例如，在借助水量平衡方法研究某個流域的水量變化時，既要考慮流域周圍大氣中水汽輸送，也要考慮流域上空大氣中水分含量的變化；既要考慮降水，也要考慮蒸發；既要考慮流域的地面徑流，也要考慮流域土壤含水量和流域內外地下水的交換，而且還要考慮流域內水利工程，以及其他人類活動的影響。
其次，水文科學主要根據已有的水文資料，預測或預估水文情勢未來狀況，直接為人類的生活和生產服務。例如，提供洪水預報和各種水情預報，對旱澇災害的發生作出中長期預測，為水利工程在未來運轉時期中可能遇到的特大洪水作出概率預估等。
水文科學主要靠建立從局部到全球的水文觀測站網，通過對自然界業已發生的水文現象的觀測進行分析和研究。各種水文實驗，除少數在實驗室內進行以外，主要是在自然界中，例如在實驗流域中進行。
在水文科學研究中廣泛采用成因分析和統計分析的方法，並使二者盡量結合起來。成因分析主要以物理學原理為基礎，通常建立某種形式的確定性模型，以研究水文現象發展演變過程中的確定性規律。統計分析法以概率論為基礎，通常建立某種概率模型(純隨機模型)，探討水文現象的統計規律。
水文科學的分支
由於水在人類生存和社會發展中的重要作用，所以水文科學不單純是壹門基礎科學，也是壹門廣泛為生產和生活服務的應用科學。
水文科學不斷從數學、物理學、化學等基礎科學中汲取養料。它運用數學力學定律和方法描述水的運動；運用物理學中的熱學、聲學和光學原理，研究水體的熱狀態和解釋水體中的聲學和光學現象；根據化學鍵和分子締合的理論，闡明水的液態、氣態和固態的轉化原因和方式等等。
因為水文循環使水圈、大氣圈和巖石圈緊密聯系，所以，水文科學又與地球科學體系中的大氣科學、地質學和自然地理學等的關系密切。
水文科學開始主要研究河流、湖泊、沼澤、冰川和積雪，以後擴展到地下水、大氣中的水和海洋中的水。傳統的水文科學是按研究對象劃分分支學科的，主要有：河流水文學、湖泊水文學、沼澤水文學、冰川水文學、雪水文學、水文氣象學、地下水水文學、區域水文學和海洋水文學等。
河流水文學也稱河川水文學，研究河流的自然地理特征、河流的補給、徑流形成和變化規律、河流的水溫和冰情、河流泥沙運動和河床演變、河水的化學成分、河流與環境的關系等。
湖泊水文學主要研究湖泊中的水量變化和運動，湖水的物理特性和化學成分、湖泊沈積湖泊的利用等。
沼澤水文學研究沼澤徑流、沼澤水的物理化學性質、沼澤對河流和湖泊的補給、沼澤改良等。
冰川水文學主要研究冰川的分布、形成和運動、冰川融水徑流的形成過程及其時空分布、冰川突發性洪水的形成機制和預測、冰川水資源的利用。
雪水文學主要研究積雪的數量和分布、融雪過程、融雪水對河流和湖泊的補給、融雪洪水的形成和預報，有時把雪水文學和冰川水文學合稱為雪冰水文學。
水文氣象學研究水圈和大氣圈的相互關系，包括大氣中水文循環和水量平衡，以蒸發、凝結、降水為主要方式的大氣與下墊面的水分交換，其中尤其著重研究暴雨和幹旱發生和發展的規律。
地下水水文學主要研究地下水的形成和運動，地下水與河流，湖泊的相互補給，地下水資源的評價和開發利用。
區域水文學著重研究某些特定地區的水文現象，如河口水文，坡地水文、平原水文、巖溶地區水文、幹旱地區水文現象等。
海洋水文學著重研究海水的物理性質和化學成分，海洋中的波浪、潮汐、洋流、海岸帶泥沙運動等。上述諸學科通常也統稱為普通水文學或水文學。
水文科學主要通過定點觀測、野外查勘和水文實驗 (主要是野外實驗)等手段，獲得水體時空分布和運動變化的信息，因而逐漸形成了水文測驗學、水文調查、水文實驗三個分支學科。
水文測驗學研究如何正確、經濟、迅速地測定各種水文要素的數量及其在時間和空間上的變化，主要包括站網布設、測驗方法和資料整編方法的研究。還包括測量儀器的研制和資料存儲、檢索、傳送系統的研究。
水文調查是水文科學的野外勘測和考察部分，旨在對水體形態和數量、集水面積內的自然地理條件等作出科學的分析和訐價。在中國，歷史大暴雨、歷史大洪水和枯水的調查是水文調查的重要內容。
水文實驗旨在通過野外和室內實驗，揭示水文循環過程各環節中水的運動、變化的某些規律，如水向土中下滲的規律，土壤水的運動規律、徑流形成規律、土壤和水面蒸發的規律，以及人類活動的水文效應等。
水文科學作為壹門應用科學主要包括工程水文學、農業水文學、森林水文學、都市水文學、醫療(衛生)水文學等分支學科，其中以工程水文學發展最為迅速。
工程水文學包括水文計算、水利計算、水文預報等組成部分，水文計算和水利計算為各類防洪工程、灌溉工程、水力發電、航運工程、道路和橋捅工程、軍事工程等的規劃、設計提供水文依據。
水文預報為工程的施工和運轉及國民經濟各部門提供洪水、枯水、冰情等各種形式的水文預報。
農業水文學主要研究水分—土壤—植物系統中與作物生長有關的水文問題，尤其著重研究植物散發和土壤水的運動規律，為農業規劃和農作物增產提供水文依據。
森林水文學著重研究森林在水文循環中的作用即森林的水文效應，包括森林對降水、蒸發和徑流形成的影響。
都市水文學是應用水文學中較年輕的分支學科著重研究城市發展中的水資源、墟市排水的環境效應和城市對徑流形成的影響等問題。
20世紀50年代以來，隨著科學技術的迅速發展，水文科學不斷引入許多其他學科的新成就，出現了壹些新的分支學科，例如，在水文調查和水文預報中，研究遙感技術的應用，逐漸形成遙感水文學；在水文實驗、地下水運動研究中應用核技術，逐漸形成同位素水文學；隨機過程的理論和方法的引入，逐漸形成隨機水文學。
這些新的分支學科雖然在成熟程度上都還不能與水文科學體系中原有學科相提並論，但它們表明，水文科學在繼續分蘗、不斷萌發新的分支。