Bei der saisonalen Wärmespeicherung wird dem natürlichen, jahreszeitenbedingten Ungleichgewicht von Wärmeangebot und Wärmebedarf Rechnung getragen. In den Sommermonaten wird die überschüssige Wärme gespeichert, welche zum Beispiel bei der Kühlung von Gebäuden anfällt. Diese Wärme wird im Winter in der Regel unter Zuhilfenahme einer Wärmepumpe zu Heizwecken genutzt. Als Speichermedien stehen bei der geothermischen Wärmespeicherung der Boden und Fels im Untergrund sowie das dort zirkulierende Grundwasser zur Verfügung. Der Untergrund wird über Bohrungen oder Erdwärmesonden erschlossen. Ist das Grundwasser von besonderer Bedeutung für den Speicher, spricht man von einem Aquiferspeicher.
Bei der Erschließung über Erdwärmesonden erfolgt der Wärmeein- und -austrag über den geschlossenen Fluidkreislauf innerhalb der Sonden. Als Wärmespeicher dienen das umgebende Gestein und das Grundwasser. Ein Erdsondenspeicher kann aus einer oder wenigen Sonden bestehen und im kleinräumigen Maßstab im Rahmen eines Einfamilienhauses genutzt werden. Bei hohem Wärme- bzw. Kühlungsbedarf in großräumig vernetzten Erdwärmesondenfeldern werden eine große Anzahl von Sonden zur Versorgung ganzer Neubaugebiete eingesetzt.
Aquiferspeicher werden direkt durch Grundwasseraustausch be- und entladen. Hier wird in der Regel das Dublettenprinzip angewandt, wobei die beiden Brunnen den Jahreszeiten entsprechend abwechselnd als Förder- oder Schluckbrunnen fungieren. Je nach hydrogeologischer Untergrundsituation nutzen Wärme- und Kältespeicher ein und demselben Aquifer, wobei für eine optimale Ausbeute auf einen ausreichenden Abstand zwischen Förder- und Reinjektionspunkt geachtet werden muss. Bei mehreren erschließbaren Grundwasserhorizonten empfiehlt es sich für die Wärme- und Kältespeicherung unterschiedliche Grundwasserstockwerke zu verwenden.
Als Wärmequelle für die sommerliche Speicherung kann neben solarthermisch gewonnener Sonnenenergie, ungenutzte Abwärme von Kraftwerken oder Industrieprozessen oder schlicht der Rücklauf aus dem Kühlungskreislauf eingesetzt werden. Große Anlagen in Kombination mit Solarthermie sind zum Beispiel in Neckarsulm mit einem Sondenfeld aus über 500 Sonden und in einem Sondenfeld mit etwa 100 Sonden in Crailsheim umgesetzt. Das prominenteste Beispiel für einen Aquiferspeichersystem findet sich im Reichstag in Berlin. Hier wird im Sommer in einem 280-315 m tiefen Aquifer die Abwärme des hauseigenen Blockheizkraftwerks gespeichert. Die Kältespeicherung erfolgt in einem etwa 60 m tiefen Grundwasserhorizont.
Die Wärmeversorgung aus Stollen oder Tunneln stellt eine sinnvolle Verknüpfung von Tiefbauten und geothermischer Nutzung dar.
Die Wärmegewinnung kann einerseits unmittelbar über austretende Tunnelwässer oder Tunnelluft erfolgen, deren Temperatur gemäß dem Prinzip des geothermischen Gradienten von der Mächtigkeit der Felsüberdeckung des Tunnelbauwerks abhängig ist. Hierdurch können bei transalpinen Tunneln unter den hohen Gebirgsmassiven leicht Temperaturen über 30 °C erreicht werden. Zahlreiche Beispiele hierfür finden sich in der Schweiz, wo bereits 1979 eine der ersten Tunnelgeothermieanlagen am Gotthard Straßentunnel zur Wärmeversorgung einer Autobahnmeisterei in Betrieb genommen wurde. Mittlerweile wird an zahlreichen weiteren Tunnels die Wärme aus dem Berg genutzt, unter anderem in Nahwärmenetzen, Schwimmbadbetrieben, aber auch in exotischen Einsatzgebieten, wie im Beispiel Frutigen für ein Tropenhaus und eine Störzucht für die schweizerische Kaviarproduktion. Eine Studie des Schweizer Bundesamtes für Energie aus dem Jahr 1995 zeigt, dass alleine die 15 ergiebigsten, der damals fertig gestellten schweizerischen Tunnelbauten, ein gemeinschaftliches Nutzungspotenzial von rund 30.000 kW aufwiesen. Mit den aktuellen großen Bauprojekten Gotthard-Basis- und Lötschberg-Tunnel sind hier nochmals große Leistungszugewinne zu erwarten.
Ein weiteres, vor allem auch in vielen Großstädten z. B. in Deutschland und Europa mögliches Einsatzgebiet der Geothermie ist die Wärmegewinnung aus Straßen- und U-Bahntunnelwänden sowie aus Abwasserkanälen. Hierbei nutzt man die Tunnel- und Kanalwände als Wärmetauscherfläche. Ähnlich der Flachkollektorenauslegung bei oberflächennaher Geothermienutzung, durchzieht ein Absorberregister die Wände der Tunnel- und Kanalröhren. Während bei Straßen- und U-Bahntunneln in der Hauptsache die Wärme aus der Erde und dem Gestein stammt, befindet sich bei Abwasserrohren das größere Wärmepotenzial in den Abwässern innerhalb der Rohre und Kanäle. Erste Erfolge bei der Erprobung von Wärmegewinnung aus Tunnelwänden sind aus dem Wiener Stadtteil Hadersdorf bekannt, wo seit 2004 die Sportmittelschule Hadersdorf und eine angrenzende Kindertagestätte mit rund 200 MWh Wärmeleistung pro Jahr über ein Wärmepumpensystem versorgt wird. Als Wärmequelle dient ein Abschnitt des angrenzenden Lainzer Eisenbahntunnels, welcher mit einem Energievlies in der Tunnelwand als Wärmeabsorber ausgekleidet wurde.
Auch bei der geothermischen Nutzung von Bergbauanlagen erfolgt die Wärmegewinnung über Einrichtungen, deren ursprünglicher Zweck nicht der Erschließung der Geothermie galt. Hierbei handelt es sich neben Bergwerken auch um stillgelegte Erdöl- oder Gasförderbohrungen. Die Gewinnung von Erdöl und Erdgas erfolgt häufig über das Fördern von Öl- oder Gas-Wasser-Gemischen aus mehreren 100 Meter bis wenigen 1.000 Meter tiefen Bohrungen, weshalb diese Altanlagen für den Gebrauch als Thermalwasserförderbrunnen in der Regel direkt verwendet werden können. Über Vertiefungs- und Stimulationsmaßnahmen können diese Bohrungen weiter erschlossen und somit auch zur Stromerzeugung herangezogen werden. Verwirklicht wurde dieses Konzept in dem Geothermieforschungsprojekt Groß-Schönebeck oder im Rahmen des Projekts GeneSys. Die Ergebnisse von GeneSys dienten zur Konzeptentwicklung für eine Erdwärmenutzung zur Wärmeversorgung des Geo Zentrums Hannover.
Stillgelegte Bergwerke, vor allem die bis zu 1500 m tiefen Kohlezechen in den Steinkohleregionen Deutschlands bergen ebenfalls ein hohes geothermisches Potenzial.
Die Bergwerke liefern bereits während der Betriebsphase über die Bewetterung und Wasserhaltung beträchtliche Mengen an warmer Luft und Grubenwasser. Je nach Tiefe der aufgefahrenen Lagerstätte können hier Temperaturen von über 60 °C erreicht werden.
Nach der Stilllegung der Zechen stehen mit den weit verzweigten Bergwerkstollen untertage und den Förder- und Bewetterungsschachtanlagen weitgehend erschlossene Wärmetauschersysteme im Berg mit sehr großen Volumina zur Verfügung. Das gängige Rückbaukonzept von Bergwerken sieht die Flutung der Anlagen vor, weshalb diese in der Regel mit relativ geringem Aufwand für eine weiterführende Nachnutzung als hydrothermale Lagerstätten angepasst werden können.
Ein Beispiel für die geothermische Nutzung von stillgelegten Kohlebergwerken ist die Zeche Heinrich in Essen, wo bereits seit rund zwei Jahrzehnten das 22 °C warme Grubenwasser aus der Wasserhaltung des Schachtes 3 zur Wärmeversorgung eines angrenzenden Seniorenwohnheims Verwendung findet.
