Biện pháp sinh học xử lý chất ô nhiễm nói chung và các hợp chất dioxin nói riêng đã được nghiên cứu ứng dụng từ lâu đã dần trở thành hướng đi triển vọng vì đây là một biện pháp tuy có nhược điểm là thời gian xử lý kéo dài nhưng là một biện pháp hiệu quả, rẻ tiền và đặc biệt là không tạo sản phẩm thứ cấp. an toàn đối với con người và hệ sinh thái.
Phương pháp thứ nhất là bổ sung các vi sinh vật có khả năng phân hủy chất ô nhiễm vào vùng ô nhiễm mà ở đó điều kiện môi trường có thể điều khiển được (bioaugmentation). Các bằng chứng của sự phân hủy dioxin và các hợp chất tương tự trong các hệ thống xử lý thử nghiệm đã dần được sáng tỏ. Hầu hết các nghiên cứu đều quan tâm đến các vi khuẩn phân hủy dioxin được bổ sung vào đất gây nhiễm nhân tạo các đồng phân dioxin. Kết quả của các nghiên cứu này cho thấy những chủng vi khuẩn được bổ sung vào đất chuyển hóa từ 32% đến 100% các đồng phân mono- đến tri- chloro dibenzo –p –dioxin/dibenzofuran được đưa vào ở nồng độ từ 1 đến 100 ppm trong 1 tuần. Chủng vi khuẩn Sphingomonas wittichii RW làm giảm 75,5% các PCDD độc sau 15 ngày trong khi đó mẫu đối chứng giảm 20,2%, đây là một bằng chứng rõ ràng cho thấy sự phân hủy sinh học một số đồng phân dioxin chọn lọc (Văn phòng Ban chỉ đạo 33, Bộ Tài Nguyên và Môi Trường, 2011).
Phương pháp thứ hai là kích thích phát triển của vi sinh vật bản địa ngay tại nơi bị ô nhiễm (biostimulation). Một hướng nghiên cứu khác là bổ sung một lượng lớn chất hữu cơ vào đất để tăng khả năng phân hủy dioxin của vi sinh vật. Phân ủ hữu cơ sinh học đã qua khử trùng được sử dụng làm chất dinh dưỡng hữu cơ. sau 3 tháng nồng độ PCDD và PCDF giảm 22%. Động học của quá trình loại bỏ đồng phân này cho thấy bản chất của sự đề khử chlo kị khí, sử dụng axít hữu cơ nhằm tăng cường quá trình phân hủy các chất dioxin chứa clo trong trầm tích từ sông nhiễm. Sau 210 ngày xử lý trên 32% PCDD/PCDF đã bị loại bỏ bằng chứng này thừa nhận sự phân hủy sinh học là cơ chế loại độc chủ yếu (Văn phòng Ban chỉ đạo 33, Bộ Tài Nguyên và Môi Trường, 2011).