水體增溫加速了水生態係統的演變或破壞。矽藻在 20℃的水中為優勢種；水溫32℃時，綠藻為優勢種；水溫 37℃時，隻有藍藻才能生長。魚類種群也有類似變化。對狹溫性魚類來說，水溫在 10～ 15℃時，冷水性魚類為優勢種群；水溫超過 20℃時，溫水性魚類為優勢種群；當水溫為 25～ 30℃時，熱水性魚類為優勢種群。水溫超過 33～ 35℃時，絕大多數魚類都不能生存。水生物種群之間的演變，以食物鏈相聯結，升溫促使某些生物提前或推遲發育，導致以此為食的其他生物因得不到充足食料而死亡。食物鏈中斷可能使生態係統組成發生變化，甚至破壞。
水體升溫加速了水及底泥中有機物的生物降解和營養元素的循環，藻類因而過度生長繁殖，導致水體富營養化；有機物降解又加速了水中溶解氧消耗。
某些有毒物質的毒性隨水溫上升而加強。例如，水溫升高10℃，氰化物的毒性就增強 1倍；而生物對毒物的抗性，則隨水溫的上升而下降。
水體熱汙染區域可分為強增溫帶、適度增溫帶和弱增溫帶。熱汙染的有害效應一般局限在強增溫帶，對其他兩帶的不利影響較小，有時還產生有利效應。熱汙染對水體影響程度取決於熱排放工業類型、排放量、受納水體的特點、季節和氣象條件等。
各國對水熱汙染及其影響進行了多方麵的研究，並製定了冷卻水溫度的排放標準。美國、俄羅斯等國按不同季節和水域，製定了冷卻水溫度的排放標準；德國以不同河流的最高允許增溫幅度為依據，製定了冷卻水溫度排放標準；瑞士則以排熱口與混合後的增溫界限為最高允許值，確定排放標準。中國和其他一些國家尚未製定有關標準。
1.熱汙染對魚類的影響
人類是溫血動物，對於外界溫度變化有良好的適應能力，而生活在水中的生物大多屬於冷血動物，對於水溫的改變非常敏感，忍受熱汙染的能力也非常有限。魚類不斷地洄遊，一方麵是為了覓食；另一方麵也是為了尋求適溫的環境。例如，每年夏季，小管魚類常洄遊到中國台灣北部沿海；每年冬季，烏魚常成群在台灣地區西岸沿海出現。這些都是魚類尋求適溫環境的行為，也就是因為水中生物對水溫變化比較敏感，因此熱汙染在水中比在陸地上更容易造成生態環境的改變。
熱汙染提高水溫對魚類的影響有以下幾點：
（1）加快魚類的新陳代謝率。一般而言，水溫每增加 10℃，魚的新陳代謝率就加倍，如 25℃時新陳代謝率為 15℃時的 2倍，35℃時新陳代謝率為 15℃時的 4倍。水溫增加會使水中的溶氧量減少，而魚類卻因新陳代謝加快而需要更多的氧。因此，水溫增加到某一限度，魚類便會死亡。每一種魚的致命溫度並不相同，如北美洲一種褐色鱒魚的致命水溫為26℃，而小龍蝦則可以忍受水溫升至35℃才死亡。
（2）可能使魚類停止繁殖。魚類都是在一小範圍的適溫環境產卵，水溫增高，魚類排卵的數目往往就會減少，有時甚至無法排卵。而且，水溫增高也會影響卵的正常發育。例如，一種大西洋的鮭魚受精卵，在2℃的溫度中需經 114天的孵化，小魚才出來；水溫提高到 7℃，孵化期就縮短為 90天，太早孵出的未必是健康的小魚。魚的成長也會受到影響，水溫再提高，受精卵甚至都無法孵化了。因此，在一個比較封閉的水體中，如小湖或小溪，水溫提高到某一限度，雖然沒使成魚立刻死亡，但可能使某些魚終將絕跡。
（3）會縮短魚的壽命。由於水溫增高會縮短卵的孵化時間以及加速魚的新陳代謝率，因此很容易推想魚的壽命也會縮短。例如，北美洲一種淡水水蚤在8℃的水溫中可活 108天，但在 28℃的水中隻能活 29天，魚的壽命減短了，當然，就長不到它應有的長度與重量。
（4）可能破壞食物鏈。所謂食物鏈就是：大魚吃小魚、青蛙；小魚、青蛙則以蚊蟲、小蝦等為食；蚊蟲、小蝦等則以水草、藻類等為食。上述4類生物死亡後氧化分解產生營養鹽分，又可作為水草、藻類等的養料。如果熱汙染的結果造成其中一類生物的死亡，也可能使得以其為食的生物死亡，依此類推，這個生態係統就可提高水溫對其他水中生物的影響度，也與魚類的相差不多。然而魚類會遊泳，如果海洋受到熱汙染，魚類尚能避開受汙染的地方，傷害會減少一些。但附著在海底的生物，如珊瑚等，那就難逃一劫了。