Scendendo dalla superficie terrestre fino a una certa profondità (normalmente variabile fra 5 – 20 m) la temperatura misurabile varia durante l'anno in funzione della temperatura media meteorologica, fino a una profondità dove la temperatura registrata rimane costante per tutto l'anno con un valore pari alla temperatura media annuale locale. È quindi possibile definire una superficie di omotermia che normalmente segue nel sottosuolo il profilo topografico sovrastante con smussamenti delle asperità altimetriche e locali variazioni riconducibili a fenomeni geologici circoscritti.

Queste variazioni locali possono avere origine diversa. Di seguito sono presentati alcuni casi:

• Infiltrazioni di acque fredde dalla superficie, come venne riscontrato durante la perforazione del tunnel del Monte Bianco, ove le temperature misurate in galleria risultarono inferiori a quelle previste causa raffreddamento della roccia per infiltrazioni verso il basso delle acque fredde di fusione del ghiacciaio sovrastante. Viceversa la galleria stradale del San Gottardo non gode di tale raffreddamento.
• Presenza di permafrost, che funge da volano termico raffreddante il suolo. Analisi di gradienti di temperatura in aree con permafrost condotte in Polonia hanno permesso di osservare che l'effetto del permafrost è osservabile fino a qualche centinaio di metri di profondità.^[2]
• Campo geotermico o anomalia geotermica osservabile direttamente sul terreno: in questo caso le linee isotermiche intersecano direttamente la superficie topografica.

Al di sotto della superficie omeoterma la temperatura terrestre aumenta con un incremento che, mediamente, corrisponde a circa 3 °C ogni 100 m di profondità ma può variare sensibilmente in funzione della posizione in cui ci troviamo.

Il campo normale di variazione del gradiente geotermico solitamente è compreso fra 1,5 °C/100m e 5,0 °C/100m.

Il valore del gradiente geotermale è funzione della conduttività termica delle rocce; rocce molto porose, quindi includenti elevati volumi di acqua, sono caratterizzate da bassa conduttività termica.