L'eau fossile ou eau paléontologique est une ancienne masse d'eau qui a été conservée dans un endroit non perturbé. En général, il s'agit d'une eau souterraine dans un aquifère. Elle peut rester sous terre pendant des millions d'années. Parmi les autres types d'eau fossile, on peut citer les lacs sous glace, comme le lac Vostok en Antarctique. Le terme peut être utilisé pour décrire des eaux anciennes sur d'autres planètes.
L'UNESCO définit les eaux souterraines fossiles comme "l'eau qui s'est infiltrée il y a généralement des millénaires et souvent dans des conditions climatiques différentes de celles d'aujourd'hui, et qui a été stockée sous terre depuis cette époque".
L'estimation du temps écoulé depuis l'infiltration de l'eau est faite à l'aide d'isotopes. Certains aquifères ont des centaines de mètres de profondeur et se trouvent sous de vastes étendues de terre. Les techniques de recherche sur le terrain se développent rapidement et la base de connaissances scientifiques s'accroît. Pour de nombreux aquifères, la recherche est insuffisante ou contestée en ce qui concerne l'âge de l'eau et le comportement de l'eau à l'intérieur de l'aquifère.