郦道元在少年时代，就对地理考察有浓厚的兴趣。十几岁时，他随父亲到山东，经常与朋友一起到有山水的地方游览，观察水流的情景。当时，他们游历过临朐县的熏冶泉水，又观看了石井的瀑布。瀑布奔泻而下的水流，激起了滚滚波浪和飞溅的水花，那铿锵有力的巨大音响，在川谷间回荡。这美丽壮观的景色，使郦道元大为陶醉。后来，他在山西、河南、河北做官，经常乘工作之便和公余之暇，留意进行实地的地理考察和调查。凡是他走到的地方，他都尽力搜集当地有关的地理著作和地图，并根据图籍提供的情况，考查各地河流干道和支流的分布，以及河流流经地区的地理风貌。他或跋涉郊野，寻访古迹，追溯河流的源头；或走访乡老，采集民间歌谣、谚语、方言和传说，然后把自己的见闻，详细地记录下来。日积月累，他掌握了许多有关各地地理情况的原始资料。
同时，郦道元爱好读书，并以此闻名于世。在日常生活中，书籍是他不可分离的伴侣。他一生中读过许多书，尤其是有关地理记述的书籍，他几乎都读遍。他读书非常严肃、认真，对书中的记载力求弄懂、弄通，对各书中记述同一地方而有出入的问题，更是着意探究其原因。大量地读书，使他具有渊博的学识，成为当时有名的学者。他写了不少著作，都流行于世，可惜后来大都佚亡了。
通过实地的考察和对地理书籍的研究，郦道元深切感到前人的地理著作，包括《山海经》、《禹贡》、《汉书·地理志》以及大量的地方性著作，所记载的地理情况都过于简略。三国时有人写了《水经》一书，虽然略具纲领，但却只记河流，不记河流流经地区的地理情况，而且河流的记述也过于简单，并有许多遗漏。更何况地理情况不是固定不变的，随着时间的推移，地理情况也不断发生变化。例如，河流会改道，地名有变更、城镇村落有兴衰等等，特别是人们的劳动会不断改变地面的风貌。因此历史上的地理著作，已经不能满足人们的需要了。郦道元决心动手写一部书，以反映当时的地理面貌和历史变迁的情况。
在著书的过程中，郦道元选取了《水经》一书作为蓝本，采取了为《水经》作注的形式，因此取书名为《水经注》。但是，他并不是图省力，走捷径，简单地为《水经》作注释，跟着《水经》一书的记述走，《水经》记什么，他就注什么，而是很花了一番功夫和气力。《水经》一书记载的河流仅137条，文字总共只有一万多字。郦道元在《水经注》中补充了许多河流，数量比《水经》增加了近 10倍，达 1252条，其中有些还是独立流入大海的重要河流。《水经注》共计 40卷，约 30万字。仅从这些就可以看到，郦道元的《水经注》是一部内容远远超过《水经》一书的再创作，书中凝聚着郦道元大量的辛勤劳动，是他多年心血的结晶。
郦道元生活的年代，正值我国南北分立对峙的南北朝时期，北方为北魏政权，南方先后为宋、齐、梁政权。郦道元虽然只是活动在北魏政权统治的地区之内，其范围大约相当于现在的秦岭和淮河以北的地区，但他的著作并没有受政权和地域的限制，他的视野远远地超出了北魏政权统治的范围，反映了他盼望祖国早日实现统一的心情。在《水经注》中，郦道元所记述的内容包括了全国各地的地理情况，还记述了一些国外的地理情况，其涉及地域东北至朝鲜的坝水（今大同江），南到扶南（今越南和柬埔寨），西南到印度新头河（今印度河），西至安息（今伊朗）、西海（今苏联咸海），北到流沙（今蒙古沙漠）。可以说，《水经注》是北魏以前中国及其周围地区的地理学的总结。
郦道元在写《水经注》时，突破了《水经》只记河流的局限。他以河流为纲，详细地记述了河流流经区域的地理情况，包括山脉、土地、物产、城市的位置和沿革、村落的兴衰、水利工程、历史遗迹等古今情况，并且具有明确的地理方位和距离的观念。像这样写作严谨、内容丰富的地理著作，在当时的中国，以至世界上都是无与伦比的。