Phương pháp xử lý sinh học là sử dụng khả năng sống, hoạt động của VSV để phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải. Các VSV sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số khoáng chất làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản, vì thế sinh khối của chúng được tăng lên. Quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ nhờ VSV gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa. Phương pháp xử lý sinh học có thể thực hiện trong điều kiện hiếu khí (với sự có mặt của oxy) hoặc trong điều kiện kỵ khí (không có oxy).
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí: Quá trình xử lý nước thải được dựa trên sự oxy hoá các chất hữu cơ có trong nước thải nhờ oxy tự do hoà tan. Nếu oxy được cấp bằng thiết bị hoặc nhờ cấu tạo công trình, thì đó là quá trình sinh học hiếu khí trong điều kiện nhân tạo. Ngược lại, nếu oxy được vận chuyển và hoà tan trong nước nhờ các yếu tố tự nhiên thì đó là quá trình xử lý sinh học hiếu khí trong điều kiện tự nhiên.
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí: Quá trình xử lý được dựa trên cơ sở phân huỷ các chất hữu cơ giữ lại trong công trình nhờ sự lên men kỵ khí. Đối với các hệ thống thoát nước qui mô vừa và nhỏ người ta thường dùng các công trình kết hợp với việc tách cặn lắng với phân huỷ yếm khí các chất hữu cơ trong pha rắn và pha lỏng.
Phương pháp xử lý sinh học có thể ứng dụng để làm sạch hoàn toàn các loại nước thải chứa chất hữu cơ hòa tan hoặc phân tán nhỏ. Do vậy, phương pháp này thường được áp dụng sau khi loại bỏ các tạp chất thô ra khỏi nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao.