Thành phố Thái Nguyên chưa có hệ thống xử lý nước thải, hoặc chỉ có hệ thống xử lý lắng cặn sơ bộ rồi thải thẳng ra sông Cầu. Ở lưu vực sông Cầu tiếp nhận nước thải của sáu tỉnh Bắc Cạn, Thái Nguyên, Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Bắc Giang, Hải Dương và một phần nước thải của Hà Nội. Cơ cấu kinh tế của các tỉnh trong lưu vực chủ yếu dựa vào sản xuất nông nghiệp, lâm nghiệp và công nghiệp. Nước thải của nhiều doanh nghiệp trong số đó
được thải trực tiếp ra sông Cầu, trong khi đa số các mỏ khai thác ở lưu vực sông đều không có hệ thống xử lý nước thải.
- Đối với nước thải sinh hoạt: Phần lớn nước thải sinh hoạt của các hộ gia đình, khu dân cư được thải trực tiếp ra nguồn tiếp nhận mà không qua hệ thống xử lý. Chủ yếu nước thải sinh hoạt được xử lý sơ bộ thông qua các bể tự hoại tại các hộ gia đình, cơ quan, doanh nghiệp. Tuy nhiên, các bể này hoạt động còn kém hiệu quả do được xây dựng đã lâu và không đúng quy chuẩn kỹ thuật.
- Đối với nước thải công nghiệp: Bao gồm cả nước thải công nghiệp và sinh hoạt, trong đó nước thải sản xuất được xử lý bằng phương pháp lắng cơ học, lọc qua song chắn hòa trộn cùng với nước thải sinh hoạt đã xử lý bằng bể tự hoại rồi thải ra ngoài môi trường, cũng có khi không qua bể tự hoại mà thải luôn ra ngoài môi trường. Số lượng cơ sở sản xuất công nghiệp có hệ thống xử lý nước thải còn chiếm tỷ lệ nhỏ. Chỉ có các cơ sở có vốn đầu tư nước ngoài hay liên doanh với nước ngoài có thiết bị công nghệ tiên tiến, lắp đặt hệ thống xử lý nước thải đảm bảo tiêu chuẩn cho phép. Trái lại, nhiều xí nghiệp chưa có hệ thống xử lý hay xử lý nước thải chưa đạt tiêu chuẩn mà vẫn thải trực tiếp ra ao hồ, kênh rạch. Một số cơ sở sản xuất đang xây dựng hệ thống xử lý nước thải. Tuy nhiên, hiện nay trong khu vực KCN đã và đang xây dựng thử nghiệm hệ thống xử lý nước thải công nghiệp chung cho khu.
- Đối với nước thải bệnh viện: Trên địa bàn thành phố Thái Nguyên hiện có 1 bệnh viện lớn đó là Bệnh viện A và Trung tâm y tế thành phố Thái Nguyên. Tuy đã hoạt động nhiều năm nhưng chưa có công trình xử lý nước thải nào cả. Nước thải (phẫu thuật, sản,…) thì cũng chỉ được chảy qua hệ thống cống thoát nước dẫn ra bể lắng rồi được đổ thẳng vào ruộng xung quanh mà không qua bất kỳ công đoạn xử lý nào.
Như vậy, có thể hoạt động xử lý nước thải trên địa bàn thành phố Thái Nguyên còn tương đối kém. Các nguồn phát sinh nước thải trên địa bàn thành phố chưa được xử lý triệt để còn ảnh hưởng đến môi trường nước đặc biệt là môi trường nước mặt.