泉水形成原因古时，人们对济南泉水成因的说法很多。有的认为济南泉水来源于河南的王屋山。如宋代沈括在《梦溪笔谈》中说：济水自王屋山东流，有时隐伏地下，至济南冒出地面而成诸泉。明代胡缵宗诗云：“王屋流来山下泉，清波聊酌思泠然。”前人也有关于济南泉水来源的正确说法，如宋代曾巩、金代元好问等人认为，济南的泉水并非济水之出露，而是来自济南城南的山区。曾巩在任齐州知州期间，为摸清泉水来路，曾进山调查，认为南部山区的水下渗潜流至市区而出露成泉。他在《齐州二堂记》中说：“泰山之北与齐之东南诸谷之水，西北汇于黑水之湾(即锦阳川水)，又西北汇于柏崖之湾(疑在柏崖山处)，而至于渴马之崖(在今党家庄镇东、西渴马崖村一带)。盖水之来也众，其北折而西也，悍疾尤甚，及至于崖下，则泊然而止。而自崖以北至于历城之西，盖五十里，而有泉涌出，高或至数尺，其旁之人名之曰趵突之泉。……盖泉自渴马之崖潜流地中，而至此复出也。”现代地质工作者调查研究认为，济南泉水来源于市区南部山区，大气降水渗漏地下，顺岩层倾斜方向北流，至城区遇到侵入岩体阻挡，承压水出露地表，形成泉水。

　　济南南部山区，为泰山余脉，自南而北有中山、低山、丘陵，至市区变为山前倾斜平原和黄河冲积平原的交接带，高差达500多米，这种南高北低的地势，利于地表水和地下水向城区汇集。在地质构造上，南部山区属泰山隆起北翼，为一平缓的单斜构造。由于北侧断裂切断，形成许多断块，其中千佛山断块是构成城区泉群的构造基础。山区以前震旦系变质岩为基底，上布有1000多米厚的寒武系和奥陶系石灰岩岩层。岩层以3～15度倾角向北倾斜，至市区埋没于第四系沉积层之下。在漫长的地质年代，这些可溶性灰岩，经过多次构造运动和长期溶蚀，岩溶地貌发育，形成大量溶沟、溶孔、溶洞和地下暗河等，共同组成了能够储存和输送地下水的脉状地下网道。市区北部为燕山期辉长岩～闪长岩侵入体，质地细密，岩质坚硬，隔水性能好。千佛山断块西有通过纬一路的千佛山断层；东有穿过解放桥和老东门的羊头峪断层，这样就组成了东西北三面阻水岩体，构成了三面封闭的排泄单元。南部山区，在灰岩出露和裂隙岩溶发育的地方，吸收了大量的大气降水和地表径流，渗入地下形成了丰富的裂隙岩溶水。这些裂隙岩溶水，受太古界变质岩的隔阻，沿岩层倾斜的方向，向北作水平运动，形成地下潜流，至城区遇到侵入岩岩体的阻挡和断层堵截，地下潜流大量汇聚，并由水平运动变为垂直向上运动，促进了岩溶发育和水位抬高，在强大的静水压力下，地下水穿过岩溶裂隙，在灰岩和侵入岩体的接触地带及第四系沉积层较薄弱处夺地而出，涌出地表，形成天然涌泉。