有毒無機汙染物主要是指汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）等重金屬和砷（As）的化合物以及氰根離子（CN-）、亞硝酸根離子（NO-2）等。它們對人類及生態係統可產生直接的損害或長期積累性損害。
重金屬化合物汙染的特點是因其某些化合物的生產與應用的廣泛，在局部地區可能出現高濃度汙染。另外，重金屬汙染物一般具有潛在危害性。它們與有機汙染物不同，水中的微生物難於使之分解消除（可稱為降解作用），經過“蝦吃浮遊生物，小魚吃蝦，大魚吃小魚”的水中食物鏈被富集，濃度逐級加大。而人正處於食物鏈的終端，通過食物或飲水，將有毒物攝入人體。若這些有毒物不易排泄，將會在人體內積蓄，引起慢性中毒。
在生物體內的某些重金屬又可被微生物轉化為毒性更大的有機化合物（如無機汞可轉化為有機汞）。例如眾所周知的水俁病就是由所食魚中含有氯化甲基汞引起的，骨痛病則由鎘汙染引起的。這些震驚世界的公害事件都是工廠排放的汙水中含有這些重金屬所致。重金屬汙染物的毒害不僅與其攝入機體內的數量有關，而且與其存在形態有密切關係，不同形態的同種重金屬化合物其毒性可以有很大差異。如烷基汞的毒性明顯大於二價汞離子的無機鹽；砷的化合物中三氧化二砷（AS2O3，砒霜）毒性最大；鋇鹽中的硫酸鋇（BaSO4）因其溶解度小而無毒性；BaCO4雖難溶於水，但能溶於胃酸（HCl），所以和氯化鋇（BaCl2）一樣有毒。
無機汙染物中的氰化物的毒性是很強的，氰化物以各種形式存在水中，人中毒後，會造成呼吸困難，全身細胞缺氧，導致窒息死亡。氰化物主要來自各種含氰化物的工業廢水，如電鍍廢水、煤氣廠廢水，煉焦煉油廠和有色金屬冶煉廠等的廢水。
有毒有機汙染物主要包括有機氯農藥、多氯聯苯、多環芳烴、高分子聚合物（塑料、人造纖維、合成橡膠）、染料等類有機化合物。它們的共同特點是大多數為難降解有機物，或持久性有機物。它們在水中的含量雖不高，但因在水體中殘留時間長，有蓄積性，可造成人體慢性中毒、致癌、致畸等生理危害。
隨著現代化石油化學工業的高速發展，產生了很多原來自然界沒有的、難分解的、有劇毒的有機化合物，這些化合物有合成洗滌劑、有機氯農藥等。例如對環境危害極大的有機氯農藥，其特點是毒性大，化學性質穩定，殘留時間長，且易溶於脂肪、蓄積性強而在水生生物體內富集，其濃度可達水中的數十萬倍，不僅影響水生生物的繁衍，且通過食物鏈危害人體健康。這類農藥國外早已禁用，我國從1983年開始也已停止生產和限製使用。
多氯聯苯（PCB）是聯苯分子中一部分或全部氫被氯取代後所形成的各種異構體混合物的總稱。PCB有劇毒，脂溶性強，易被生物吸收，且具有化學性質很穩定，不易燃燒，強酸、強堿、氧化劑都難以將其分解，耐熱性高，絕緣性好，蒸氣壓低，難揮發等特性。所以PCB作為絕緣油、潤滑油、添加劑等，被廣泛用於變壓器、電容器，以及各種塑料、樹脂、橡膠等工業，因此PCB也存在於這些工業的廢水中而被排入水體。PCB在天然水和生物體內都很難降解，是一種很穩定的環境汙染物。