Môi trường nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy đang chịu sự tác động mạnh của nước thải sinh hoạt của các khu đô thị và khu dân cư tập trung, công nghiệp, nông nghiệp và làng nghề trong khu vực. Nhiều nơi trên sông Nhuệ và sông Châu có hiện tượng cá chết hàng loạt do nước bị ô nhiễm (làng Châu Thuỷ, Châu Giang, Hà Nam); thị xã Phủ Lý đã nhiều lần phải ngừng cấp nước sinh hoạt cho nhân dân do mức độ ô nhiễm nước sông Nhuệ quá nặng, đặc biệt vào tháng 11/2012 việc lấy nước phải dừng tới 5 ngày, trong khi đó nước sông Đáy cũng luôn bị thiếu vào mùa khô đặc biệt là tháng 2 và tháng 3. Không những thế, xu hướng ô nhiễm của nước sông trong lưu vực ngày càng tăng. Hiện sông Đáy bị ô nhiễm cục bộ với mức độ ngày càng gia tăng, đặc biệt nước sông còn chịu ảnh hưởng của ô nhiễm sông Nhuệ, chất lượng nước sông diễn biến rất phức tạp và mức độ ô nhiễm ở từng đoạn sông rất khác nhau. Ngoài ảnh hưởng của nước sông Nhuệ, có đoạn sông còn chịu ảnh hưởng bởi nước thải sinh hoạt và sản xuất công nghiệp của thị xã Phủ Lý xả thải trực tiếp nên nước sông bị ô nhiễm khá nghiêm trọng. Bên cạnh đó, các sông khác trong lưu vực như: sông Tích, sông Châu Giang, sông Hoàng Long... cũng có xu hướng suy giảm chất lượng nước do tiếp nhận nước thải sinh hoạt và sản xuất của các khu dân cư.
Theo kết quả phân tích từ mẫu nước lấy được trên LVS Nhuệ - Đáy tại tỉnh Hà Nam thì hàm lượng BOD5 tại TP.Phủ Lý và Duy Tiên đều vượt hơn so với tiêu chuẩn nước mặt (TCVN 5942 – 1995 ) loại A ≈ 2 lần và đạt
chuẩn cho phép của tiêu chuẩn loại B. Hàm lượng Coliform tại Duy Tiên vượt quá cả tiêu chuẩn loại B đến 3,2 lần, ở Phủ Lý thì hàm lượng Coliform vượt quá tiêu chuẩn loại A đến 2 lần và nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn loại B. Hàm lượng DO tại Duy Tiên chỉ đạt tiêu chuẩn loại B. Còn ở huyện Kim Sơn Ninh Bình hàm lượng Coliform nằm trong chuẩn cho phép, hàm lượng DO chỉ đạt tiêu chuẩn loại B.