污染物进入地下水后，可与原先的水、岩土介质和水中生物主要是微生物发生各种物理交换、化学反应和生物分解等多种联系，从而引起地下水水质的变化，其结果称为物理、化学、生物效应。这些效应有正、有负。所谓正效应是指在上述作用下，地下水中污染物浓度降低并基本达到天然背景值或某一规定水平，有时又称自然净化。另一种是负效应，即经过物理、化学、生物作用使污染程度加剧。事实上，无论是物理作用、化学作用，还是生物作用，都具有两重性。在某些情况下，其中一种具体作用可能会降低某种组分的浓度，减轻或去除这种污染物，而在另一种条件下，则会使这种组分增加，而加剧其污染效果。因此，研究时要针对不同的物理、化学条件以及具体的污染组分，做出具体分析。
(一)物理作用
地下水污染物在迁移过程中发生的物理作用有吸附、过滤、稀释三种。
1.物理吸附
物理吸附是由于岩土表面静电引力，使水中的离子被吸附在岩土颗粒表面的现象。由于键联力比较弱，在一定条件下，岩土颗粒所吸附的离子也可以被水中另一种离子替换，即发生离子交换。附着在岩土颗粒上的离子再次进入水中的现象称为解吸。物理吸附是可逆过程。一般而言，当水中的某种离子被吸附的同时，岩土颗粒表面也会有另一种离子解吸，所以，物理吸附只是对某些污染组分的暂时截留，不会彻底去除。物理吸附对如下污染组分具有截留的作用，如K+、Na+、Ca2+、Mg2+和一些金属离子，包括Cu、Hg、Pb、Ni、Cd、Co、Mn等，另外，对某些碳氢化合物如苯、酚、石油类产品也具有截留作用。
2.过滤
过滤是指透水介质的空隙小于固体污染物粒度的条件下，固体污染物被阻滞而不能随水流迁移的现象。能够被过滤的地下水污染物包括化学沉淀物如CaCO3、CaSO4、Fe(OH)3、Al(OH)3等，以及泥、沙、絮凝状的微生物集合体和絮凝状的有机物等悬浮或漂浮物质。显然，过滤作用是否明显，与固体污染物的粒度和透水介质的隙径有关，隙径越小，过滤作用越明显，所以，亚黏土、亚砂土要比砂砾石、裂隙、岩溶地层具有更好的防止固体污染物迁移的效果。
3.稀释
稀释是高浓度的污染水进入含水层与地下水混合，混合后地下水污染组分浓度低于原污染水，或者是已污染的地下水得到未污染水的补给(降水入渗补给或侧向径流补给)，使污染组分浓度降低的过程。地下水长期观测结果表明，地表堆放污染物的地段，降水后，潜水的污染程度会增高。在地表和土壤均未被污染的地段，侧向渗流污染的潜水会因降水入渗水的掺和，污染程度降低。这些现象均与稀释有关，只不过前一种情况是污染物溶解，地下水遭到污染;后者是地下水污染浓度因稀释而降低。
(二)化学作用
化学作用包括化学吸附、溶解沉淀和氧化－还原反应三种。
1.化学吸附
化学吸附不同于物理吸附，是以化学键的方式将吸附的离子束缚，使之成为胶体结晶格架的一部分，如果水化学条件不发生明显改变，被吸附的离子不会重新返回水中，所以，化学吸附是不可逆的，可使某些污染物从水中去除。由于在实际工作中，严格区分物理吸附和化学吸附是十分困难的，所以，常将两种吸附效应一并考虑，用交换容量(CEC)来表示。交换容量是表征岩土介质吸附能力大小的一个指标。一般而言:①颗粒比表面积越大，即颗粒个体越小，交换容量也越大，所以黏粒含量高的土壤具有较强的截留污染物的能力;②岩土颗粒表面电荷的正、负性及电荷的多少与pH有关，pH低时，正的表面电荷占优势，吸附水中的阴离子，pH高时，岩土颗粒表面完全是负电荷，吸附水中的阳离子。能够被化学吸附的污染组分有Al、K、Mn、Zn、Cr、Co、Ni等金属离子，另外，化学吸附也可去除如硫磷、毒莠定、西维因、百草枯、多氯联苯等有机化合物。
2.溶解和沉淀
溶解和沉淀是污染物进入地下水和从中脱出的两种相反的化学过程。前者是使污染物从固相变为液相，后者是从液相变为固相，这两种作用既发生在某些固体污染源释放污染物的过程中，又是含水层中水－岩相互作用的一个重要方面。至于溶解和沉淀是在什么条件下会发生，需要读者参考水文地球化学的相关知识，在此不再赘述。
3.氧化－还原反应
氧化－还原反应是地下水中非常普遍的化学过程，而污染组分进入含水层后，这一过程会变得更为复杂。污染物(水)会与业已存在的天然水、岩土介质、微生物相互作用，某些物质失去电子，发生氧化反应，另外一些物质会得到电子，发生还原作用。由于电子转移和得失是同时发生的，所以称这种化学反应为氧化-还原作用。由于各种物质的氧化态还原能力不同，而且许多元素具有多种氧化态，如Fe有二价和三价，Mn有二价和四价，吸引电子的能力强弱也不同，因此，在某些条件下，有些物质或氧化态更易吸引电子，发生还原反应，相应地下水中另外一些物质会释放电子发生氧化反应。至于哪些物质以何种氧化态的形式出现在水中，则与地下水中的pH－Eh条件有关。例如Cr、As、Se在氧化条件下(Eh值较高)，pH为7左右的地下水中，往往以一价或二价的阴离子形式存在，容易随水迁移，当Eh值很低时则形成难溶的硫化物沉淀。又如Fe当地下水Eh值大于0.77V，pH小于2.76时，Fe3+出现在地下水中，当pH、Eh值超出这个范围时，可能形成Fe(OH)3沉淀或转变为Fe2+。研究表明，氧化环境有利于硝化作用的形成，所以地下水中常见NO－3，而Cr和一些难溶的金属硫化物可转变为易溶的硫酸盐;还原环境不利于Pb、Cd等重金属的迁移，NO－3也因反硝化转为气态氮逸散。除此之外，地下水中发生的氧化还原反应几乎都需要微生物的催化。起催化作用的微生物主要是细菌，如硝化杆菌、反硝化杆菌、硫还原菌等，它们的作用是加快氧化-还原反应的进行。
(三)生物作用
除上面提到的微生物对氧化-还原反应的影响外，这里所说的生物作用主要是指微生物的降解和生物的吸纳作用。
1.生物降解
生物降解主要是微生物对天然的和人工合成的有机物的破坏或矿化作用，使复杂的有机物变为简单的有机物或者转变为无机物的过程。微生物降解可在溶解氧较多的地下水中快速进行。在缺氧条件下，有些微生物可通过对含氧化合物如NO－3、SO2－4的分解，获取其中的氧生存，以完成对有机物的降解过程。生物降解的最终产物是无机盐、CO2和H2O，可以消除有机物污染的危害，但在不充分降解时，也可能会形成中间产物，成为有毒害作用的新污染物。
2.生物的吸纳
地下水是某些微生物的生存环境，地下水中许多化学组分是微生物的生长与繁殖所必需的营养物质，如N、P、K、Ca、Mg、Na、S、Cl等。另外，有些微量元素如Cu、Zn、Cr、I、Co等，它们对调节生物的生理机能也起着重要作用。所以，当地下水的污染组分中含有这些物质时，微生物的存在将有助于减轻污染程度。