Повышение температуры с увеличением глубины захоронения пород является следствием переноса тепловой энергии из недр Земли к ее поверхности, где эта энергия рассеивается. Наблюдаемые различия в величине геотермических градиентов обусловлены различиями в общей теплопроводности пород, особенностями регионального теплового потока и циркуляцией подземных вод. Средний геотермический градиент для земного шара считается равным 25° С/км. Стабильные участки земной коры с кристаллическими породами обычно характеризуются более низкими геотермическими градиентами, чем подвижные орогеиные зоны, за исключением систем островных дуг и глубоководных желобов активных окраин, где геотермические градиенты могут понижаться до 10° С/км. Диапазон колебания значений геотермических градиентов для осадочных бассейнов обычно от 15 до 50° С/км, хотя в отдельных случаях геотермические градиенты понижаются до 5° С/км или достигают 77° С/км. Очень низкий геотермический градиент, приблизительно 5° С/км, измерен в скважине глубиной 4445 м на острове Андрос (Багамские острова), а градиент, равный 76,9° С, обнаружен в одной из скважин в Верхнерейнском грабене на юго-западе ФРГ вблизи нефтяного месторождения Ландау. В нефтяном месторождении Валио в бассейне Салавати  геотермические градиенты достигают 90° С/км .

На температурных профилях, т. е. графиках, показывающих изменение температуры с глубиной, видно, что величина геотермического градиента для данного разреза может колебаться, что связано главным образом с различиями в теплопроводности пород разных литологических типов, близостью к поверхности и циркуляцией подземных вод. Повышение температуры с глубиной больше в районах с более интенсивным тепловым потоком и более низкой теплопроводностью пород. Тепловой поток определяется как количество тепла (калории), проходящего через единицу площади за определенное время.