Chất lượng nước sông Nhuệ chịu ảnh hưởng mạnh của chất lượng nước sông Hồng và các sông nhánh đổ vào. Chất lượng nước sông thay đổi theo mùa và theo từng đoạn sông. Mức độ ô nhiễm nguồn nước phụ thuộc vào mức độ tiếp nhận nước thải và hàm lượng các chất độc hại có trong nước thải từ các nguồn sau đây đổ vào sông Nhuệ:
- Sông Đăm nhận toàn bộ nước thải từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp, sinh hoạt và các hoạt động kinh tế khác của khu vực Đan Phượng.
- Sông Cầu Ngà nhận toàn bộ nước thải từ các hoạt động sản xuất và sinh hoạt của khu vực huyện Hoài Đức, từ các cơ sở sản xuất tiểu thủ công nghiệp tại khu vực Cầu Ngà.
- Sông Tô Lịch và các chi lưu của nó như sông Kim Ngưu, sông Lừ, sông Sét nhận toàn bộ nước thải sinh hoạt và công nghiệp của phần Hà Nội nằm trong lưu vực
sông Nhuệ (77,5 km2) đổ vào sông Nhuệ qua cửa Thanh Liệt. Đây là điểm xả nước thải lớn nhất và ô nhiễm nghiêm trọng nhất của hệ thống.
Kết quả giám sát chất lượng nước cho thấy ngay sau cống Liên Mạc chỉ một đoạn ngắn nước sông Nhuệ đã bị ô nhiễm với hàng loạt các chỉ tiêu đều vượt giới hạn A cho phép của TCVN-5942 về nước mặt. Khi đi qua các điểm xả nước thải, hàm lượng các chất ô nhiễm tăng lên rất nhanh. Đoạn sông Nhuệ từ Cầu Tó đến Cầu Xém nước sông bị ô nhiễm nặng nhất. Theo kết quả phân tích thành phần lý hóa các mẫu nước lấy từ sông Nhuệ của các nhà khoa học thì chất lượng nước sông Nhuệ đoạn từ Liên Mạc đến Lương Cổ là rất thấp chưa đáp ứng được yêu cầu sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản, không đủ điều kiện vệ sinh để dùng cho sinh hoạt. Duy nhất chỉ có đoạn cuối sông từ hạ lưu cống Lương Cổ đến sông Đáy, hàm lượng các chất ô nhiễm có trong nước mới đạt được ngưỡng giới hạn B của TCVN về chất lượng nước mặt.