郦道元出生于北魏时期的官宦世家，他的父亲郦范年少有为，在太武帝时期，给事东宫，后来以他优秀的战略眼光成为一个优秀的军师，曾经做过平东将军和青州刺史。郦道元也先后在平城（北魏首都，今山西省大同市）和洛阳担任过骑都尉，御史中尉和北中郎将等中央官史，并且多次出任地方官。
郦道元前半生，北魏正是鼎盛时期，公元439年，北魏太武帝统一北方之后，经过献文，文成等诸多帝王的励精图治，至后来的北魏孝文帝的积极改革，北魏国力日渐强盛。郦道元也跟随孝文帝等人致力于统一大愿的实现。郦道元一生勤于读书和著述。《魏书》卷八十九说：“道元好学，历览奇书。撰注《水经》四十卷，《本志》十三篇，又为《七聘》及诸文，皆行于世。”但除《水经注》外，其余著作都已亡佚。
郦道元从少年时代起就有志于地理学的研究。他喜欢游览祖国的河流、山川，尤其喜欢研究各地的水文地理、自然风貌。他充分利用在各地做官的机会进行实地考察，足迹遍及今河北、河南、山东、山西、安徽、江苏、内蒙等广大地区，调查当地的地理、历史和风土人情等，掌握了大量的第一手资料。每到一个地方，他都要游览名胜古迹、山川河流，悉心勘察水流地势，并访问当地长者，了解古今水道的变迁情况及河流的渊源所在、流经地区等。同时，他还利用业余时间阅读了大量古代地理学著作，如《山海经》《禹贡》《禹本纪》《周礼职方》《汉书·地理志》《水经》等，积累了丰富的地理学知识，为他的地理学研究和著述打下了基础。
通过把自己看到的地理现象同古代地理著作进行对照、比较，郦道元发现其中很多地理环境随着时间的流逝发生了很大变化，如果不及时把这些地理现象的变迁记录下来，后人就更难以弄明白历史上的地理变化。因此，应该对此时的地理情况进行详细的考察，同时查阅古代文献，与古代的地理学著作相印证，将地理面貌的历史变迁尽可能详细、准确地记载下来。为此，郦道元决定以《水经》为蓝本，以作注的形式写一本完整的地理学著作。
《水经》一书写于三国时期，是一部专门研究河流水道的书籍，共记述全国主要河流137条。原文1.5万字，文字相当简略，没有把水道的来龙去脉和详细情况说清楚。郦道元认为，应该在对现有地理情况的考察的基础上，印证古籍，然后把经常变化的地理面貌尽量详细、准确地记载下来。在这种思想指导下，郦道元决心为《水经》作注。
作为一位杰出的地理学家，郦道元在《水经注》的序言中对前代的著名地理著作进行了许多点评。秦朝以前，我国已有许多地理类书籍，但当时国家不统一，生产力水平不发达，人们对地理的概念还比较模糊，这些作品中普遍存在的问题就是在传说的基础上进行虚构，如《山海经》《穆天子传》《禹贡》等。郦道元坚决反对“虚构地理学”，他在《水经注》序言中提出了自己的研究和工作方法，那就是重视野外考察的重要性。
《水经注》一书中记载了郦道元在野外考察中取得的大量成果，这表明他为了获得真实的地理信息，到过许多地方考察，足迹踏遍长城以南、秦岭以东的中原大地，积累了大量的实践经验和地理资料。《水经》记录河流137条，而《水经注》则记录河流1252条。《水经》只有1.5万字，而《水经注》竟达30万字！
郦道元在实地调查中原地形的同时，又广泛搜求南方的地理著作，进行对比研究，得出自己的结论。例如江南会稽郡的诸暨县，有五泄瀑布，景色壮丽，向来不为世人所知。郦道元在《水经注》里面首次记载了五泄飞瀑壮观的气势：“浙江又东，合浦阳江，江水导源乌伤县，东经诸暨县，与泄溪合。溪广数丈，中道有两高山夹溪，造云壁立，凡有五泄：下泄悬三十余丈，广十丈；中三泄不可得至，登他山远望，乃得见之，悬百余丈，水势高急，声震林外；上泄悬二百余丈，望若云垂。此是瀑布，土人号为泄也。”从此，世人方知五泄的山水景观。
郦道元生活在南北朝时期，北方为北魏、北齐、北周政权，南方先后为刘宋、南齐、南梁、南陈政权。郦道元虽然只是活动在北魏统治的地区之内，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。