水的淨化天然水體遭受汙染，未經處理即被排放的廢水，如果汙染物的濃度不夠高，流經一段距離後會逐漸變清，臭氣消失，這種現象是水體的自然淨化。原來，水中的微生物起著清潔汙水的作用，它們以水體中的有機汙染物作為自己的營養食料，通過吸附、吸收、氧化、分解等過程，把有機物變成簡單的無機物，既滿足了微生物本身繁殖和生命活動的需要，又淨化了汙水。
然而水體汙染超標時，必須進行各種必要的處理，以滿足生活用水、工農業用水的要求。汙水處理的方法很多，按汙染物去除原理的不同可分為物理方法、化學方法、物理化學法和生物處理法，各種方法都有其特點和適用範圍。
物理處理法通過物理作用，以分離、回收廢水中較大顆粒懸浮物、夾雜物、不溶解的呈懸浮狀態汙染物質（包括油膜和油珠），常用的有重力分離法、離心分離法、過濾、磁分離法等。
重力分離法指利用汙水中泥沙、懸浮固體和油類等不溶於水的物質，在重力作用下與水分離，經過自然沉降，將汙水中密度較大的懸浮物除去；離心分離法指在機械高速旋轉的離心作用下，把不同質量的懸浮物或乳化油通過不同出口分別引流出來，進行回收；過濾法是用石英沙、篩網、尼龍布、隔柵等作過濾介質，對懸浮物進行截留；磁力分離法利用磁場力的作用，快速除去廢水中難以分離的細小懸浮物和膠體，如油、重金屬離子、藻類、細菌、病毒等汙染物質。
化學處理法向汙水中投加某種化學物質，利用化學反應來分離、回收汙水中的汙染物質，常用的有化學沉澱法、混凝法、中和法、氧化還原（包括電解）法等。對於可溶性的無機汙染物則可用沉澱反應或氧化還原反應的方法，使汙染物與所加藥劑反應，生成易於從廢水中分離出去的物質，或者改變汙染物的性質等方法淨化汙水。
酸堿中和法是指采用加堿性物質處理酸性廢水，加酸性物質處理堿性廢水，讓兩者中和後，加以過濾可將廢水基本淨化；化學沉澱法是在廢水中加入化學沉澱劑，使之與廢水中的重金屬汙染物發生反應，以生成難溶的固體物而沉澱；氧化還原法是加入化學氧化劑或還原劑，有選擇地改變廢水中有毒物質的性質，使之變成無毒或微毒的物質；電化學法是利用電解槽的化學反應，處理廢水中汙染物質的一種技術，包括電解氧化還原、電解凝聚等不同的過程。
物理化學法利用物理化學作用去除廢水中的汙染物質，主要有吸附法、離子交換法、膜分離法、電滲析、反滲透、萃取法等。
生物處理法通過微生物的代謝作用，使廢水中呈溶液、膠體以及微細懸浮狀態的有機汙染物質轉化為穩定、無害的物質，使汙水得到淨化。可分為好氧生物處理法和厭氧生物處理法。由於城市汙水的主要汙染物是有機物，故活性汙泥法生活汙水處理廠占絕大多數。
菌類、藻類和原生動物等微生物，具有很強的吸附、氧化、分解有機汙染物的能力。它們處理廢物的過程中，對氧的要求不同，據此可將生化處理分為好氣處理和厭氣處理兩類。好氣處理是需氧處理，厭氣處理則在無氧條件下進行。生化處理法是廢水處理中應用最久最廣且相當有效的一種方法，特別適用於處理有機汙水。
實際處理中，有時需要幾種方法配合使用。汙水處理工藝應根據汙水水質特性、排放水質要求，以及當地的用地、氣候、經濟等實際情況，經全麵的技術經濟比較後優選確定。
水資源開發與利用利用閘壩調度改善江湖水質由於水體有自淨能力，可以充分利用這一能力來淨化水體。但有些汙水長期水質無法改善，這與水庫閘壩的無序控水有重要關係。大中型水庫、閘壩服務於地區的經濟發展，主要任務是防洪、發電、航運和灌溉，不考慮改善水質。目前，我國各大河流湖泊大部分被人工攔蓄，北方河流無水斷流，南方河流有水不動，河流的自淨能力被嚴重破壞。根據國外經驗，流動河流對改善水質比汙水處理廠效率更高，費用更省。所以對同一流域內的水資源，在開發利用和調節、調度的時候，應當統籌兼顧，維護江河的合理流量和湖泊、水庫以及地下水體的合理水位，維護水體的自然淨化能力。