Lưu vực Sông Cầu chảy qua địa bàn 06 tỉnh Bắc Cạn, Thái Nguyên, Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Bắc Giang, Hải Dương và một phần của Hà Nội. Trong đó, với vị trí sát nguồn, sông Cầu chảy qua địa bàn thành phố Thái Nguyên có ảnh hưởng lớn đến vùng hạ lưu.
Theo đánh giá của Trung tâm Quan trắc và Công nghệ môi trường Thái Nguyên, chất lượng nước sông Cầu ở hầu hết các địa phương đều không đạt tiêu chuẩn chất lượng là nguồn nước cấp cho mục đích sinh hoạt (QCVN 08:2008/BTNMT (A)). Tuy nhiên, chất lượng nước tại khu vực thượng lưu tốt hơn so với hạ lưu, đặc biệt đoạn Sông Cầu chảy qua khu vực thành phố Thái Nguyên.
Nguyên nhân có nhiều, do yếu tố tự nhiên và cả phát triển kinh tế xã hội. Đó là những trận lũ ống, lũ quét đã xảy ra ở các xã ven sông, suối nhỏ ở các huyện miền núi (Võ Nhai, Đại Từ, Định Hoá). Những trận mưa lớn gây ngập úng cục bộ tại khu vực trũng, các cụm dân cư, cuốn theo các chất ô nhiễm trên bề mặt gây ô nhiễm nguồn nước mặt tiếp nhận. Đặc biệt, tại các khu vực khai thác khoáng sản, mưa cuốn theo một lượng lớn chất thải rắn, gây đục bồi lắng các sông suối tiếp nhận.
Đó là chưa kể, trên 2 triệu m3 nước thải của khoảng 1600 cơ sở công nghiệp từ các ngành nghề khai khoáng, luyện kim, chế biến thực phẩm, sản xuất vật liệu xây dựng... thải ra khi chưa được xử lý đạt Quy chuẩn môi trường. Bên cạnh đó là nguồn nước thải sinh hoạt với khối lượng khổng lồ với hơn 100.000 m3/ngày trong đó nước thải tại các khu vực đô thị chiếm gần 50%. Và rồi gần 3000 m3/ngày nước thải y tế chưa qua xử lý, thải trực tiếp vào nguồn nước mang theo nhiều hoá chất độc hại, các chất hữu cơ, dinh dưỡng và vi khuẩn gây bệnh.
Ngoài ra, các hoạt động nông nghiệp, chăn nuôi gia súc, gia cầm, chất thải rắn không được thu gom và xử lý thải thẳng xuống nguồn nước mặt. Bởi thế, nguồn nước sông Cầu trước vốn xanh trong in hình trên mặt nước nay mỗi ngày một đen đến lạ thường mà ít ai dám đến gần bởi mùi hôi thối bốc lên bất cứ lúc nào.
Hiện nay, tại các suối tiếp nhận trực tiếp nước thải từ các hoạt động đô thị, công nghiệp, khai khoáng, mức độ ô nhiễm tại các suối là rất lớn. Đặc biệt, các suối tiếp nhận nước thải của thành phố Thái Nguyên, mức độ ô nhiễm hữu cơ, dinh dưỡng là rất cao, so với QCVN 08:2008 cột B1, hàm lượng BOD vượt trên 2 lần, hàm lượng amoni vượt 16 lần, hàm lượng tổng dầu mỡ vượt gần 8 lần), đặc biệt, tại suối Cam Giá (suối tiếp nhận nước thải của khu công nghiệp gang thép Lưu Xá), suối Văn Dương (suối tiếp nhận nước thải của khu công nghiệp Sông Công), hàm lượng Cd vượt so với QCVN 08:2008/BTNMT cột B1, B2.