La Sorgue prend sa source à la Fontaine de Vaucluse, qui est une des plus importantes exsurgences  du monde. Elle est alimentée par un immense karst  situé dans les calcaires couvrant près de l.200 km², sur une épaisseur pouvant atteindre 1.000 mètres. La Sorgue est ainsi une des rares rivières de Provence à bénéficier d'une alimentation en eau régulière, même au plus fort de l’été.

La Fontaine de Vaucluse, unique exutoire du karst, alimente la Sorgue grâce à 2 types d'exsurgences :

des sources pérennes, nommées «griffons» ;

un gouffre , situé en amont des griffons, au pied d’une falaise de 200 m de haut, d’où l’eau surgit à certaines périodes de l’année (principalement en hiver et au printemps).

La Fontaine de Vaucluse a donné naissance au terme scientifique de « source vauclusienne », qui correspond à une source karstique fonctionnant sur le principe d’un siphon.