Die geothermische Tiefenstufe ist die Tiefendifferenz, in der sich die Erdkruste um ein Kelvin erwärmt, und ist damit der Kehrwert des entsprechenden Temperaturgradienten:

Eine solche Erwärmung erfolgt durchschnittlich alle 33 Meter, so dass oft ein Gradient von 3 Kelvin pro 100 Metern angegeben wird:

Die geothermische Tiefenstufe ist je nach Gebirge unterschiedlich groß. In alten und ruhigen Gebieten der Erdkruste (beispielsweise in Südafrika) kann sie zwischen 90 und 125 Meter pro K betragen, während in Europa auf der Schwäbischen Alb 11 Meter, im Lötschberg 45 Meter und im Gotthard 50 Meter pro K erreicht werden. Diese Abweichungen sind u. a. durch die örtlich variierende Mineralogie, Geologie, Morphologie und besonders vulkanische Aktivität bedingt. Hervorgerufen werden die kleineren Tiefenstufen, d. h. die größeren Temperaturgradienten, durch geringere Wärmeleitfähigkeit des Gesteins und durch geringere effektive Dicken der Erdkruste (weil diese entweder dünn ist oder weil Magma eingedrungen ist).