Das in "Bibione Thermae" verwendete Thermalwasser sprudelt 52° C heiß aus über 500 Meter Tiefe aus einer Quelle im Hinterland von Bibione. Aufgrund seiner Temperatur und seines Festrückstands wird es als hyperthermal, durchschnittlich mineralhaltig sowie nach dem italienischen Gesetzesdekret Nr. 105 vom 25.01.92 als alkalisch, bikarbonat-, natrium- und fluorhaltig klassifiziert. Dank seiner besonderen Beschaffenheit wurden ihm vom italienischen Gesundheitsministerium (Dekrete Nr. 2918 und 2950 aus dem Jahr 1996) therapeutische Eigenschaften zuerkannt, so dass für italienische Staatsbürger einige der in den Thermen von Bibione möglichen Behandlungszyklen auch über den Staatlichen Gesundheitsdienst SSN verschrieben werden können.
Die Entdeckung und die Nutzungsfähigkeit der Thermalwasserleiter der unteren Po-Ebene verdankt man den von der Gesellschaft AGIP zwischen 1960 und 1970 auf der Suche nach Kohlenwasserstoffen eingeleiteten geologischen Untersuchungen, die anschließend von hervorragenden Wissenschaftlern des italienischen Nationalen Forschungsrats C.N.R. und verschiedenen italienischen Universitäten fortgesetzt wurden. Diese Forschungsarbeiten führten zur Entdeckung der letzten großen Wasserressource von Bibione: die hyperthermalen Wasser, die aus der mesozoischen Karbonatplatte hervorquellen, deren Nutzung die Realisierung der Thermen ermöglicht und eine bedeutende Wende im Image und Service-Angebot des Badeorts Bibione herbeigeführt hat.
Die geologischen Untersuchungen haben eine geothermische Anomalie ermittelt, deren Gipfel in der Fraktion des IV. Beckens der Gemeinde San Michele al Tagliamento (VENEDIG), 5 km nördlich vom Touristenzentrum Bibione entfernt, in einer Tiefe von ca. 500 m und bei einer Temperatur von 52°C liegt. Die Grundwasserspeicher werden normalerweise von infiltrierendem Niederschlagswasser gespeist, dessen Rückhaltebecken das weite Gebiet vor der betroffenen Zone bis hin zu den alpinen Gebirgserhebungen einnimmt. Der Wasserabfluss im Untergrund, mit Nord-Süd-Verlauf, bestimmt durch das Vorhandensein lehmiger Schichten den Druckaufbau des Wasserleiters, der somit artesischen Charakter annimmt, mit Druckwerten zwischen 1 und 3 Atmosphären am Brunnenkopf.
Das Wasser der Thermen von Bibione wird als alkalisches, bikarbonat- und natriumhaltiges Wasser klassifiziert, das Mikroelemente aufweist, die die Kontakte mit der darunterliegenden mesozoischen Kalkformation belegen. Schon in den frühen 80-er Jahren wurden geochemische Analysen des Thermalwassers bei verschiedenen Instituten in Auftrag gegeben, unter anderem beim italienischen Nationalen Forschungsrat C.N.R. in Pisa sowie bei den Universitäten von Padua und Triest. Die hydrogeochemische Klassifizierung der Proben erfolgte unter Anwendung des Piper-Diagramms, über das die Gleichartigkeit der von den beiden Brunnen stammenden Wasser und ihre Klassifizierung als „bikarbonathaltig – alkalisch“ und insbesondere als „ alkalisch, bikarbonat- und natriumhaltig“ festgestellt werden konnte. In der Fachliteratur wird jenes Wasser als bikarbonathaltig definiert, das das Bikarbonat-Anion HCO3 in überwiegendem Maße im Vergleich zu allen anderen Anionen besitzt. Unter den bikarbonathaltigen Wassern zeichnen sich die alkalischen durch das Überwiegen des Natriums mit den Na-Kationen aus.
Das Wasser erweist sich heute ebenso wie damals als bakteriologisch rein und wird im Verhältnis zur Menge an darin aufgelösten Mineralstoffen als durchschnittlich mineralhaltig klassifiziert.
Über eine detailliertere Analyse der Verhältnisse zwischen den verschiedenen im Wasserleiter vorhandenen Ionen, ausgeführt mit Hilfe von Korrelationsdiagrammen der geochemischen isotopischen Untersuchung, sowie der aufgelösten Gase wurde festgestellt, dass die Proben besondere Eigenschaften aufweisen, die denen von Thermalwassern anderer, zu tiefen Thermalkreisläufen gehörenden Gebieten sehr ähnlich sind (Sedea 1995), was ein weiterer Beweis für den tiefen hydrothermalen Kreislauf und damit eine Garantie der langfristigen Leistungsfähigkeit und Dauerhaftigkeit der hydrothermalen Ressource ist.
Derzeit werden die chemischen Analysen von der Agentur A.R.P.A.V., der zugelassenen Prüfstelle für die Analyse von Thermalwasserproben der Region Venetien, durchgeführt.