水利工程地質勘察的主要目標在於查明工程場址的地質條件，評估可能發生的工程地質問題，並為工程的規劃、設計、施工和運營維護提供可靠的地質依據，以確保工程的安全性、經濟性和耐久性。地質探查必須明確各階段目標來針對性部署探查工作量；先以地質測繪為先，再者利用地球物理探查與鑽探相結合，最終以試驗數據為依據。整個地質探查需與工程設計需求相結合，此外，也必須重視施工期的地質探查工作。
整個地質探查核心工作如下：
- 區域穩定性與地震安全性：判斷區域構造穩定性；逐步過渡到對場址周邊主要斷裂（尤其是活斷層）進行實地調查與鑑定，最終為工程場地提供設計所需的地震動參數。
- 水庫區工程地質問題：探查評估水庫滲漏、庫岸穩定性、浸沒與淤積等問題。
- 壩址（壩基與壩肩）關鍵地質問題：探查評估滲透穩定性（滲漏與管湧）、抗滑穩定性、沉陷與變形、壩肩穩定性、深厚覆蓋層等問題。
- 其他建築物區（溢洪道、引水隧道等）：進行地質評價，初步分析邊坡穩定、圍岩穩定、地基承載力等問題。
- 天然建築材料：從初步調查建築材料（砂、石、土料）的概略分佈與儲量，逐步過渡到對選定料場進行詳查，評估其質量、開採條件、可供開採的儲量和開採運輸條件。
主要採用的探查方法應隨階段深入而多樣化和精細化而有所不同，目前使用方法如下：
- 遙感與地質測繪：利用衛星影像/航空照片判釋與現場地質調查技術，宏觀掌握區域地質構造、地貌、不良地質現象分佈。此方法效率高且視野廣。
- 地球物理探測：通常使用電阻法（電阻率剖面/測深法）與地震法（折射/反射/表面波法），可快速了解覆蓋層厚度、基岩面起伏、斷層位置、地下水位位置等。
- 鑽探：此方法為最直接、最可靠且是獲取定量參數的關鍵。從少量控制性鑽探，隨著調查深入後佈設鑽探線/網進行系統性取岩心鑽探，最獲取深部地層樣本與數據。
- 開挖：有探坑、探槽、平硐等形式。此法直接揭露淺部地質體，可進行大面積地質編錄和取原狀樣品。
- 現場原位測試：在場天然應力條件下測定岩土體的力學和水力學參數，結果比室內試驗更接近真實狀況。原位試驗項目計有：壓水試驗 岩體直剪試驗、承壓板試驗、孔內壓水/注水試驗（呂榮值Lu）、地應力測量、標準貫入試驗（SPT）、圓錐貫入試驗（CPT）、平板載荷試驗、十字板剪切試驗等。採用何種試驗則視探查地質問題而定。
- 實驗室測試：獲取岩土體的物理（粒徑分析、比重、含水量、密度等）、力學（抗壓/抗剪強度、變形模量、三軸試驗）與水力性質（滲透性數）參數。
- 長期監測：埋設儀器監測地下水位、水質、地層變形，確保長期安全監測。
水利工程地質探查必須明確各階段目標來針對性部署探查工作量；先以地質測繪為先，再者利用地球物理探查與鑽探相結合，最終以試驗數據為依據。整個地質探查需與工程設計需求相結合，此外，也必須重視施工期的地質探查工作。