在植物叶片水平上，水分利用效率指水的生理利用效率或蒸腾效率，即单位水量通过叶片蒸腾散失时光合作用所形成的有机物量。它取决于光合速率与蒸腾速率的比值，是植物消耗水分形成干物质的基本效率，即水分利用效率的理论值，是其他水平上的水分利用效率研究的基础。

在植物群体水平上，水分利用效率是干物质量与蒸腾和蒸发总量之比。植物群体的水分利用效率是植物群体二氧化碳（CO₂）净同化量（光合作用固定的CO₂与同期呼吸作用释放的CO₂之差）与蒸腾量之比，即群体CO₂通量（单位时间内净“流入”单位面积的植物种群内的CO₂量）和植物蒸腾的水汽通量（单位时间内，从单位面积的植物群体中蒸腾散失的水汽量）之比。群体水分利用效率与单叶水平相比，更接近实际情况，可表征田间或区域的水分利用效率。

在生态系统水平上，水分利用效率是指整个生态系统损耗单位质量水分所固定的CO₂（或生产的干物质）的量；植被的蒸腾被视为生态系统的水分损耗，因此水分利用效率等于生态系统的总初级生产力与植被蒸腾之比。

植物水分利用效率受制于光合作用CO₂吸收同化和蒸腾作用的水分散失。因此任何影响这两个过程的因素都会不同程度地影响水分利用效率。主要影响因素包括：①外在环境因子，如光照、土壤水分、空气饱和差（表示空气中的实际水汽距离饱和的程度）、干旱、CO₂水平、叶温、空气温度等。例如，光强增加、土壤水分减少、CO₂浓度升高时，水分利用效率会提高；温度对水分利用效率的影响取决于植物的最适温度，温度过高和过低都会降低植物的水分利用效率。②植物内在因子，如叶片水势、气孔导度、光合速率、蒸腾速率和光合途径，遗传物质基础和植物功能群等。例如，叶片水势升高、气孔导度降低、光合速率增加，会改善植物的水分利用效率；耐旱植物和高产基因型植物通常具有高的水分利用效率，常绿植物的水分利用效率显著低于落叶植物，而景天酸代谢（CAM）植物水分利用效率高于碳四植物和碳三植物，藤本植物一般高于灌木和乔木，而草本植物最低。