Bei der Anwendung der Tiefengeothermie werden Wärmereservoire genutzt, die sich mindestens 100 m bis mehrere Tausend Meter unter der Erde befinden. Mit zunehmender Tiefe steigt die Temperatur. Diese Tiefen müssen durch entsprechende Bohrungen erreicht werden.
Die Erdwärme kann nicht oder nur selten direkt genutzt werden. Über eine Förderbohrung wird das Thermalwasser an die Erdoberfläche gefördert. In einer Heizzentrale wird dem Thermalwasser mittels Wärmeüberträger (Wärmetauscher) die Wärmeenergie entzogen und diese Wärme auf das im Wärmetauscher zirkulierende Leitungswasser übertragen. Dieses erwärmte Wasser kann wiederum beispielsweise in ein Wärmenetz eingespeist werden. Das abgekühlte Thermalwasser wird anschließend über eine Injektionsbohrung wieder in den Förderhorizont gepumpt.
Mittels einer Wärmepumpe kann das Temperaturniveau des Nutzwassers weiter angehoben werden. Tiefenwässer können nicht für Trink- oder Brauchwasserzwecke genutzt werden, da sie einen zu hohen Gehalt an Inhaltsstoffen (z.B. Salz und Mineralstoffe) aufweisen.