Das Verbreitungsgebiet der Halterner Sande ist in Nordrhein-Westfalen die wichtigste Grundwasserregion für die Trink- und Brauchwasserversorgung des nördlichen Ruhrgebietes und westlichen Münsterlandes. Mit der ersten Erschließung des Grundwasservorkommens Anfang des 20. Jahrhunderts begann daher auch die systematische geologische und wasserwirtschaftliche Erkundung, so dass es gute Kenntnisse über diesen für die öffentliche Trinkwasserversorgung bedeutenden Grundwasserschatz gibt.
Die Halterner Sande setzen sich zumeist aus bräunlich-gelben fein- bis mittelkörnigen, teilweise auch groben und schluffstreifigen Sanden zusammen, die im Küstenbereich eines Meeres der Oberkreide-Zeit (Obersanton bis Untercampan) vor etwa 70 Mio. Jahren im sogenannten Münsterländer Kreidebecken abgelagert wurden. Die Sande sind im oberen Teil locker gelagert. Zur Tiefe hin nimmt die Verfestigung zu, wobei insbesondere in tieferen Teilen auch Quarzit- und Kalksandsteinbänke auftreten können. Sie sind von den Recklinghäuser Sandmergeln unterlagert mit denen sie zusammen den Grundwasserleiter der Halterner Sande bilden.
Das Verbreitungsgebiet der Halterner Sande liegt im westlichen Münsterland, in dessen Zentrum sich die Stadt Haltern am See befindet. Es umfasst eine Größe von rund 770 km². Im Süden reicht das Verbreitungsgebiet bis zu einer Linie, die von Kirchhellen über Dorsten, Marl und Oer-Erkenschwick bis nach Seppenrade verläuft. Im Osten reicht das Verbreitungsgebiet bis zu den Städten Dülmen und Coesfeld, im Norden bis zu den Städten Gescher und Borken sowie im Westen zu den Gemeinden Raesfeld und Schermbeck.
Durch tektonische Vorgänge weisen die Halterner Sande heute eine typische Gliederung in Hoch- und Tiefgebiete auf. Teilweise werden sie durch jüngere Schichten aus der Kreidezeit (z. B. Bottroper Mergel) sowie aus dem Quartär überlagert. Insbesondere in den Muldenstrukturen steigt die Mächtigkeit der Halterner Sande deutlich an und erreicht bei Reken und Haltern Mächtigkeiten von über 300 m.
Das Porenvolumen der Halterner Sande liegt mit durchschnittlich 25 % in einem optimalen Bereich. Das nutzbare Volumen des Porengrundwasserleiters beträgt ca. 17 km³. Durch den versickernden Anteil der Niederschläge werden im Einzugsgebiet der Halterner Sande jährlich im Mittel ca. 156 Mio. m³/a Grundwasser neu gebildet. Nur ein Teil der jährlichen Grundwasserneubildungsrate wird derzeit von der öffentlichen Trinkwasserversorgung und anderen Nutzern gebraucht, während der andere Teil der Speisung von Oberflächengewässern – wie der Lippe – wieder zukommt.
Die Grundwässer der Halterner Sande sind meist nur gering mineralisiert und eignen sich daher hervorragend für die Trinkwassergewinnung. Überwiegend handelt es sich hierbei um ein sogenanntes Calcium-Hydrogencarbonat-Wasser mit nur niedrigen Gehalten an Chlorid, Sulfat und Nitrat im Wasser. Der Schutz der allgemein guten Wasserqualität ist ein besonderes Anliegen der Wasserwerke. Sie haben daher mit der Landwirtschaft örtliche Kooperationen gegründet, die den Eintrag von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln in das Grundwasser vermeiden sollen.