Les calcaires formant le karst  qui alimente en eau la Fontaine de Vaucluse datent du Crétacé (de - 140 millions d'années à - 65 millions d'années). Ils ont été fissurés lorsque les Alpes ont surgi, favorisant l’infiltration des eaux de pluies et créant, grâce à la dissolution de la roche par l’eau, un vaste réseau de failles, fissures et réservoirs souterrains.

Un immense réservoir d’eau dans la roche, sur près d’un kilomètre de profondeur, et remonte par la seule sortie possible : une profonde faille qui débouche à la Fontaine de Vaucluse.

La surface sur laquelle les pluies alimentent le stock d’eau dans le karst, appelée « impluvium », recouvre plus de 1 200 km² sous le plateau du Vaucluse, délimités par les Monts de Vaucluse, le Mont Ventoux, le Luberon et les montagnes de la Lure.