На территории национального парка более 140 естественных выходов подземных вод, две трети из которых находятся в долине р. Угры, остальные – на Жиздринском и Воротынском участках. Источники связаны с 10 водоносными горизонтами в четвертичных (5 горизонтов), неогеновых (1), каменноугольных (3) и девонских (1) образованиях. Наиболее водообильные родники (свыше 90% общего расхода) приурочены к известнякам и песчаным породам нижнего отдела каменноугольной системы (алексинско-тарусский, бобриковско-тульский и упинский горизонты).
Большинство выходов подземных вод – безнапорные, с дебитом от 0,1 до 3-5 л/сек и средней температурой 7-8о С в летние месяцы. Но есть родники-рекордсмены: Заборовский (более 50 л/сек), а также источники в Климовом Заводе, Павлищево и Гремячево (15-18 л/сек). Напорные (восходящие) источники связаны преимущественно с глубоко залегающими водоносными горизонтами в тульских (нижний карбон) и озерско-хованских отложениях верхнего отдела девонской системы.
По химическому составу родниковая вода относится, в основном, к гидрокарбонатному типу группы кальция (обычная минерализация 300-570 мг/л) и обладает хорошими вкусовыми качествами. Но есть в парке несколько восходящих источников с минеральной (сульфатно-магниево-кальциевой) и минерализованной (железистой) водой. Высокая минерализация воды Пафнутьевского источника на р. Жиздре (более 2700 мг/л, в т.ч. сульфат-ион в количестве до 1800 мг/л) обусловлена присутствием в составе питающего его озерско-хованского горизонта прослоев гипса и доломита. Железистые воды Поповского родника на р. Угре и Троица-Екатерининских источников на р. Тече (содержание железа до 3,3 мг/л) связаны с тульскими отложениями, которые обогащены пиритом (сульфид железа). Оба выхода отличаются высоким дебитом: 60-70 л/сек у Поповского и не менее 25 л/сек у железистой группы Троица-Екатерининских источников. Среди последних присутствуют также пресные родники с общим дебитом до 10 л/сек. Естественные выходы подземных вод всегда использовались для питьевых, оздоровительных (купальных) и хозяйственных целей. В быту они применялись для хранения и засолки скоропортящихся продуктов, полоскания белья. На воде Поповского родника в XIX веке работала бумажная фабрика, в ХХ – мукомольная мельница. А вода источника в Климовом Заводе в конце XVIII-начале XIX веков использовалась сразу на двух производствах – винокуренном и парусном.