地球的内部构造
地球本身就是一座巨大的天然储热库。所谓地热能就是地球内部蕴藏的热能。有关地球内部的知识是从地球表面的直接观察及钻井的岩样和火山喷发、地震等资料推断而得到的。根据现在的认识，地球的构成是这样的：地球是一个巨大的实心椭球体，表面积约为51000×104km2，体积约为10833×108km3，赤道半径为6378km，极半径为6357km。地球的构造好像是一只半熟的鸡蛋，主要分为三层，在约2800km厚、温度在1000°C的铁-镁硅酸盐地幔上有一薄层（厚约30km）铝-硅酸盐地壳，它的厚度各处不一，介于10～70km之间，陆地上平均为30～40km，高山底下可达60～70km，海底下仅为10km左右；地幔下面是液态铁-镍地核，其内还含有一个固态的内核，温度在2000℃～5000℃之间，外核深2900～5100km，内核深5100km以下至地心。在6～70km厚的表层地壳和地幔之间有个分界面，通常称之为莫霍不连续面。莫霍界面会反射地震波。从地表到深100～200km为刚性较大的岩石圈。由于地球内圈和外圈之间存在较大的温度梯度，所以其间有黏性物质不断循环。
大洋壳层厚约6～10km，由玄武岩构成，大洋壳层会延伸到大陆壳层下面。大陆壳层则是由密度较小的钠钾铝一硅酸盐的花岗石组成，典型厚度约为35km，但是在造山地带其厚度可能达70km。
地壳好像一个“筏”放在刚性岩石上，岩石围又漂浮在截性物质构成的软流圈上。由于软流圈中的对流作用，会使大陆壳“筏”向各个方向移动，从而会导致某一大陆板块与其他大陆板块或大洋板块碰撞或分离。它们就是造成火山喷发、造山运动、地震等地质活动的原因。地幔中的对流把热能从地球内部传到近地壳的表面地区，在那里热能可能绝热储存达百万年之久。虽然这里储热区的深度已大大超过了目前钻探技术所能达到的深度，但由于地壳表层中含有游离水，这些水有可能将热储区的热能带到地表附近，或穿出地面而形成温泉，特别在所谓地质活动区更是如此。
地热能的来源
地球的内部是一个高温高压的世界，是一个巨大的“热库”，蕴藏着无比巨大的热能。地球内部蕴藏的热量有多大呢？假定地球的平均温度为2000℃，地球的质量为6×1024kg，地球内部的比热为1.045J／g·℃，那么整个地球内部的热含量大约为1.25×1031J。即便是在地球表层10km厚这样薄薄的一层，所贮存的热量就有1025J。地球通过火山爆发、间歇喷泉和温泉等等途径，源源不断地把它内部的热能通过传导、对流和辐射的方式传到地面上来。据估计，全世界地热资源的总量大约为14.5×1025J，相当于4948×1012t标准煤燃烧时所放出的热量。如果把地球上贮存的全部煤炭燃烧时所放出的热量作为100来计算，那么，石油的贮量约为煤炭的8%，目前可利用的核燃料的贮量约为煤炭的15％，而地热能的总贮量则为煤炭的17000万倍。可见，地球是一个名副其实的巨大“热库”，我们居住的地球实际上是一个庞大的“热球”。
地球内部的温度这样高，它的热量是从哪里来的呢？多数科学家认为，其热源乃是长寿命的放射性同位素进行的热核反应（另一种观点认为，地球最初是由一团高热物质组成，是从太阳派生出来的一个行星，经过四五十亿年以后，表面逐渐冷却，而形成地壳）。地球物质中放射性元素衰变产生的热量是地热的主要来源。放射性元素有铀238、铀235、钍232和钾40等。放射性元素的衰变是原子核能的释放过程。放射性物质的原子核，无需外力的作用，就能自发的放出电子和氦核、光子等高速粒子并形成射线。在地球内部，这些粒子和射线的动能和辐射能，在同地球物质的碰撞过程中便转变成了热能。地球内部的热不断向太空释放。这种地球物理现象就叫大地热流。由于地球的表面积很大，单位面积内放出的热量极其微小，所以全球平均大地热流量并不大，以致人们很难直接感觉出来。但是，其总量却非常大，而且不同地区的大地热流量是不同的，热流高的地区地热资源较丰富。
目前一般认为，地下热水和地热蒸汽主要是由在地下不同深处被热岩体加热了的大气降水所形成的。地壳中的地热主要靠传导传输，但地壳岩石的平均热流密度低，一般无法开发利用，只有通过某种集热作用，才能开发利用。例如盐丘集热，常比一般沉积岩的导热率大2～3倍。大盆地中深埋的含水层，也可大量集热，每当钻探打到这种含水层，就会出过大量的高温热水，这是天然集热的常见形式。岩浆侵入地壳浅处，是地壳内最强的热传导形式。侵入的岩浆体形成局部高强度热源，为开发地热能提供了有利条件。岩浆侵入后，冷却的时间相当长，一般受下列因素影响：
侵入的岩浆总体积；
侵入的深度或岩浆体顶面的埋深；
侵入岩浆的性质，酸性岩浆温度较低。约650℃～850℃，基性岩浆温度较高，1100℃左右，结晶潜热也有差异，酸性岩浆为65carl／g，基性岩浆80carl／g；
侵入体的形状；
有无水热系统。
据科学家推测，一个埋深为4公里的酸性岩浆侵入体，体积为1000公里，初始温度为850℃，若要使侵入体的中心温度冷却到300℃，大约需几十万年。可见地热的扩散是非常慢的。换言之，若要利用这种热能也是比较稳定的。一个天然的温泉，长年不息地流出地热水，而且几百年温度变化不大。
在地壳中，地热的分布可分为三个带，即：可变温度带、常温带和增温带。可变温度带，由于受太阳辐射的影响，其温度有着昼夜、年份、世纪、甚至更长的周期性变化，其厚度一般为15～20m；常温带，其温度变化幅度几乎等于零，深度一般为20～30m；增温带，在常温带以下，温度随深度增加而升高，其热量的主要来源是地球内部的热能。地球每一层次的温度状况是很不相同的。在地壳的常温带以下，地温随深度增加而不断升高，越深越热。这种温度的变化，以“地热增温率”来表示，也叫做“地温梯度”。各地的地热增温率，差别是很大的，平均地热增温率为每加深100m，温度升高8℃。到达一定的温度后，地热增温率由上而下逐渐变小。根据各种资料推断，地壳底部至地幔上部的温度大约1100℃～1300℃，地核的温度大约在2000℃～5000℃之间。假如我们按照正常的地热增温率来推算，80℃的地下热水，大致是埋藏在2000～2500m左右的地下。
按照地热增温率的差别，我们把陆地上的不同地区划分为“正常地热区”和“异常地热区”。地热增温率接近3℃的地区，称为“正常地热区”。远超过3℃的地区，称为“异常地热区”。在正常地热区，较高温度的热水或蒸汽埋藏在地壳的较深处。在异常地热区，由于地热增温率较大，较高温度的热水或蒸汽埋藏在地壳的较浅部位，有的甚至露出地表。那些天然出露的地下热水或蒸汽叫做温泉。温泉是在当前技术水平下最容易利用的一种地热资源。在异常地热区，除温泉外，人们也较易通过钻井等人工方法把地下热水或蒸汽引导到地面上来加以利用。