Un château d'eau est une construction destinée à entreposer l'eau, et placée en général sur un sommet géographique pour permettre de la distribuer sous pression.
L'entreposage de l'eau dans un réservoir joue un rôle de tampon entre le débit demandé par les abonnés et le débit fourni par la station de pompage. Il permet ainsi d'éviter de démarrer trop souvent les pompes et de les protéger. Une telle réserve permet également de faire face aux demandes exceptionnelles en cas d'incendie.
L’eau est acheminée du point d'eau au réservoir. Si l'altitude du point d'eau est inférieure à l'altitude du réservoir, on utilise des pompes pour relever l'eau jusqu'à ce dernier. L’eau est ensuite envoyée dans un réseau gravitaire qui va assurer son acheminement vers l’ensemble des habitations.
La pression de l’eau qui est fournie au robinet des abonnés est proportionnelle au dénivelé qui existe entre le niveau d’eau dans le château d’eau et l'habitation : 10 m de dénivelé équivalent à 1 bar de pression, 20 m à 2 bars de pression, etc.
Les plus grands châteaux d'eau peuvent contenir plusieurs dizaines de milliers de mètres cubes d’eau.