Das Wärmeregime im Erdreich unterscheidet sich je nach Tiefe einer Geothermieanlage. Während die nutzbare Wärme in der oberflächennahen Zone, oberhalb von 20 m, nahezu ausschließlich von Sonneneinstrahlung und Sickerwasser bestimmt wird, hat der geothermische Wärmefluss aus dem Erdinneren einen stärkeren Einfluss bei Anlagen ab 20 bis 100 m Tiefe.
Ab hier ist eine Temperaturzunahme um den „geothermischen Gradienten“ von 3 bis 4 K pro 100 m Tiefe zu verzeichnen (mittlerer Wert für Deutschland) und kann in 400 Metern Tiefe einen Wert von ca. 20 °C erreichen. In Tiefen von mehreren Kilometern herrscht eine deutlich höhere, auch für Kraftwerkstechnik nutzbare Temperatur. Die Erde bezieht hier ihre Wärmeenergie vorwiegend durch Wärmeleitung und Wärmeproduktion durch radioaktive Zerfallsprozesse im Erdinneren. Dadurch herrschen in diesem Bereich nahezu ganzjährig konstante Temperaturen.