水文地质工作与国民经济建设密切相关。我国经济建设在21世纪进入高速度发展时期，经济建设与水资源及环境的矛盾日趋严重。随着基础理论的发展、新技术在水文地质中的应用以及个学科之间的相互渗透，也给地下水的研究开展显示了新的局面。水文地质工作在21世纪面临新的机遇和挑战。以下几方面可能将是人们重点关注的研究领域或课题。
1.西部缺水地区寻找地下水
随着国家实施西部大开发战略，西部地区需水量将日益增大。如何认识西北干旱地区和西南岩溶石山地区水资源的形成，运用多种方法在西部缺水地区特别是在极端缺水的贫困地区寻找地下水，将是水文地质工作面临的挑战。在此基础上确定合理的开采方案，以保证西部地区水资源的优化分配，取得最大的经济效益，保持良好的生态环境。
2.人类活动与地下水的相互作用
随着城市人口的集中、工农业的发展和物质文明的逐步提高，人类活动面临的重要问题是水资源短缺。我国有一半的城市缺水，特别是华北、东北、西北的省会城市和大城市以及许多沿海城市。以往由于过量开采地下水已经在大多数城市出现了负环境效应，在一定程度上制约着当地经济建设。如何协调好水资源与环境同社会经济可持续发展的关系，将是摆在我们面前的一项严峻的任务。
3.大流域地下水资源可再生及跨流域调水的重大水文地质和环境地质问题
黄河下游断流次数和时间逐年增大，小浪底水利枢纽截流后下游径流的逐渐减少，引黄灌区地下水的循环系统与动态将产生显著的变化。长江流域在1998年发生罕见的全流域洪灾，以及三峡大坝建成后，将对库区及下游水资源和环境产生很大的影响。跨流域调水也会导致区域性水文地质条件发生明显的变化。如何结合社会、经济、生态等因素研究这些问题，预测其变化，使之朝着有利于社会经济的方向发展，是我国科技工作者面临的艰巨任务。
4.基础理论与应用研究
地下水圈是与地表水圈、大气圈、生物圈、地幔相互作用的一个特定的物质系统，水文地质学需要研究地下水圈的形成条件、演化历史及其在人类活动影响下的变化的一般规律，以便预测其未来发展趋势。在未来的岁月中，在研究普遍存在的地下水在控制各种地质过程中的作用、流体梯度与区域构造应力场的关系、饱和及非饱和系统中水岩之间的相互化学作用、化学成分在不同介质中的迁移以及由于水动力驱使而引起的能量迁移等方面的研究有望得到加强。通过研究大型盆地的演化发展和古水文地质条件，可以指导油气藏的勘查与开发。具有商业价值的地下热水、地下卤水、矿泉水的分布、形成条件的研究及开发利用将更加引起人们的重视。在固体废物、核废物地质处置中遇到的水文地质问题，将促进这些实用领域的水文地质研究。
5.新理论、新技术的应用
21世纪，随着学科之间的相互渗透的加速，其它学科领域的新理论将会更加迅速地在水文地质领域得到应用。先进的测试手段和仪器设备可为研究地下水提供了更加精确的观测数据。研究手段从过去的单一化向着多样化、综合化的方向发展。地下水模拟软件得到进一步开发，使之功能更强大、操作更方便。水文地质信息库将得到进一步完善并被充分利用。水文地质研究成果的展示方式也由过去的图示化（各种不同类型不同比例尺的挂图）发展到数字化（计算机数据库和图形库）再发展到网络化（通过主页在网络上发布），有利于研究成果服务于社会。