兖州市地处泰沂山区西缘的山前倾斜平原，浅部地层由汶、泗河冲洪积物构成，深部基岩为煤系地层及石灰岩，境内水资源较为丰富。
地表水 境内地表水资源由径流量和客水入境量构成。据水文资料计算，多年平均径流量6198.2万立方米，客水入境量37491.7万立方米，合计地表水总量为43689.9万立方米。除蒸发、沿河损失和回灌补给地下水量后，境内可利用地表水储量为39571.4万立方米。按1990年总人口，全市人均占有地表水资源693立方米，为全省人均520立方米的133%，全国人均2770立方米的25%。全市每亩耕地平均占有地表水资源583立方米，为全省亩均349立方米的167%，全国亩均1827立方米的32%。境内地表水资源虽较充足，但水流量年内分配不均，给工农业生产带来不利因素。
1995年，有地表水3.75亿立方米，全市人均640.5立方米；亩均627.2立方米。
地下水 市境地属汶泗河冲洪积扇水文地质单元。埋深150米以上普遍赋存第四系砂层孔隙水；埋深150～200米以下，局部发育奥陶系岩溶水，水量非常丰富。含水砂层多发育在埋深10～110米之间，一般6～8层，总厚10～40米，以中粗砂为主。地下水主要来源于大气降水渗入、河道侧渗和上游侧向径流补给，自东北向西南径流。以重碳酸水为主，矿化度一般小于0.5克/升，水质良好。局部浅层水受生活垃圾污染，为重碳酸氯化物水。据勘查资料估算，地下水资源储量19.25亿立方米，可采量2.41亿立方米/年。全市除漕河乡、谷村镇部分村庄地下水缺乏外，其余均可利用地下水。一般浅层水农用机井深40～50米，单井出水量为1000～2000立方米/日，井深150米左右的单井出水量达3000～4000立方米/日。大南铺、新驿两个集中富水区，含水砂层颗粒粗，厚度大，水质好，可构成两个中型集中供水源地，总开采量达6.16万立方米/日。
地下水的开采由来已久。50、60年代，仅限于生活用水和农田灌溉，水位埋深1～2米。80年代以后，随着工农业的发展，对地下水需求的增加和连年干旱，水位降至6米以下，一度造成水源不足，给工农业生产带来极大困难。进入90年代，开采量剧增，全市地下水开采总量达32488.7万立方米/年。由于调整开采布局和回灌补源，回灌区地下水位上升2米左右，地下水位基本保持平衡状态。
城西沿南北向展布一奥陶系灰岩条带，埋深200米以下，赋有一定量的岩溶水，矿化度0.14克/升，为重碳酸盐水，水质较好。据水质化验，富含锶、锌、锂、偏硅酸等10几种与人体健康有益的矿物质和微量元素，其中锶含量2.7毫克/升以上，偏硅酸含量26毫克/升以上，形成低矿化、低钠、偏硅酸、锶型优质矿泉水，“四友”、“中意”两矿泉水均采自此层。
70年代后，受生产、生活和自然因素影响，特别是造纸厂、电镀厂、印染厂大量排放废水废液，造成地表水严重污染。城郊及 府河沿岸地表水毒物检出率为50%，超标率17%；氯离子含量较高，一般100～200毫克/升，硫酸根离子100～200毫克/升。地表水的污染导致了地下水的污染，城郊及 府河沿岸浅层地下水污染物质有酚、氰化物、砷、六价铬。酚的含量在0.003毫克/升以上，是生活饮用标准的1.8倍。六价铬为1.2倍。