地下温度可分三层：第一层叫外热层（变温层），该层温度主要来自太阳的辐射热能，它随纬度的高低、海陆分布、季节、昼夜、植被的变化而不同；第二层叫常温层（恒温层），该层为外热层的下部界面（即内、外热层的分界面），地下温度大致保持为当地年平均温度；第三层叫内热层（增温层），该层不受太阳辐射的影响，其热能来自地球内部，其中主要是来自放射性元素衰变产生的热能，其次是其他能量（如机械能、化学能、重力能、旋转能等）转化而来的热能。

地上和地下的温度不一样，原因何在呢？这主要是土壤传递热量的功能差有关。

盛夏最热的时候，地面上热波不能很快地传递到土壤深层，只能慢慢地向下传递。地下层离地面近，最热期的到来和地上最热期的出现时间比较接近；离地面愈远，最热期的出现时间和地面相差愈大。如上海最热期出现在7月，地下0.8米处出现在8月，地下1.6米处出现在9月，地下3.2米处则出现在11月。

同样，当地面上最冷的时候，冷波也不能很快影响到土壤深层，因而地底下出现的最冷时期要比地面迟得多，如上海地面最冷时期出现在1月，地下0.8米处出现在2月，地下1.6米处出现在3月，地下3.2米处则出现在4月。上述情况，高纬度地区的城市也和上海十分相似。

由于地面上最热的时候，土层深处清凉爽快，地面上最冷的时候，土层深处温暖宜人，因此井水和较深的地下水是冬暖夏凉的。

冬季，由于地底下比地面上暖和得多，所以北方人把地窖作为储藏蔬菜的良好场所。冬季，有些小动物如蛇、虫等凭借暖暖的地下环境，能安全地渡过严冬。

地热增温率各地不一。在亚洲，大约每增深100米，则温度增高2.5℃；在北美洲，约每增深100米，则温度增高2～2.5℃。

把温度每增高1℃时所增加的深度，称地温级，以米表示。深度每增加100米所增高的温度，称地热梯度（或地热增温率），以℃表示。

盛夏，烈日炎炎，热不可耐，而地下深处却清凉爽快，舒适异常。

比如上海7月份平均气温是27.8℃，地下0.8米处是24.0℃、 1.6米处20.6℃， 3.2米处则下降到16.9℃。所以地面最热的时候，地下深处非常凉快。反之，上海1月份平均气温是3.4℃，地下0.8米处是9.8℃，1.6米处是13.1℃， 3.2米处则上升到17.3℃。