Do hoạt động nhân tạo hay tự nhiên mà thành phần của nước có thể bị thay đổi bởi nhiều chất thải đưa vào hệ thống. Theo cơ chế tự nhiên, nước có khả năng tự làm sạch thông qua các quá trình biển đổi hóa học, hoá lý, sinh hóa, hấp thụ, lắng lọc, tạo keo, phân tán, biến đổi có xúc tác sinh học, ôxy hoá khử, phân ly, pôlyme hoá hay các quá trình trao đổi chất... Một yếu tố cơ bản để các quá trình này có thể xảy ra là có đủ ôxy hòa tan, chính vì vậy các quá trình này dễ thực hiện ở dòng chảy hơn là ở hồ ao, nhờ ở sự đối lưu hay khuếch tán ôxy cũng như sự pha loãng các chất. Tuy nhiên, khi lượng chất thải đưa vào nước quá nhiều, sẽ vượt quá khả năng giới hạn của quá trình tự làm sạch thì nước sẽ bị ô nhiễm. Khi đó để xử lý ô nhiễm cần phải có các phương pháp xử lý nhân tạo.
Việc nhận biết nước bị ô nhiễm có thể căn cứ vào các trạng thái hoá học, vật lý, hoá lý, sinh học của nước. Ví dụ: khi bị ô nhiễm nước sẽ có mùi khó chịu, vị không
bình thường, màu không trong suốt, số lượng cá và các thuỷ sinh vật khác giảm, cỏ dại phát triển mạnh, nhiều mùn hoặc có váng dầu mỡ mặt nước ...
Nước ô nhiễm ở sông hồ, chảy ra biển gây ô nhiễm cửa sông và biển ảnh hưởng tới các sinh vật biển. Ngoài ra còn có nhiều chất thải trực tiếp vào đại dương gây ô nhiễm biển trên phạm vi rộng lớn (sự cố tàu chở dầu, thải các chất thải ở các nhà máy ven biển).