Nước thải thành phố bao gồm: nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp và nước thải bề mặt, chúng được mạng lưới đường ống nước thải dẫn đến nhà máy để xử lí.
Công nghệ xử lí của nhà máy nên tuỳ tình hình cụ thể mà ứng dụng những hình thức cho phù hợp, đồng thời căn cứ hướng lợi dụng nước thải và hướng thải đi mà có thể dùng công nghệ xử lí có chất lượng tương ứng. Ví dụ xét về khả năng làm sạch tự nhiên của nước cũng như vai trò làm sạch trong quá trình lợi dụng nước thải để xác định mức độ và công nghệ xử lí thích hợp. Nước thải sau khi xử lí cho dù được dùng lại trong công nghiệp, nông nghiệp hoặc dùng làm nước tưới đều phải phù hợp với tiêu chuẩn và quy định chất lượng do Nhà nước quy định. Ở những khu vực thiếu nước nên dùng nước thải làm nguồn nước sử dụng.
Xử lí nước thải thành phố thông thường chia làm 3 cấp. Cấp xử lí thứ nhất là ứng dụng các phương pháp vật lí, tức là dùng các tấm lưới, bể lắng, bể trầm tích để tẩy bỏ những chất ô nhiễm tan trong nước và trứng của các loại kí sinh trùng. Cấp xử lí thứ hai là dùng phương pháp vi sinh, chủ yếu thông qua tác dụng hấp thu đào thải của vi sinh vật để chuyển hoá các chất, làm cho các chất hữu cơ phức tạp trong nước thải được oxi hoá, từ đó mà phân giải chúng thành các chất đơn giản. Phương pháp xử lí vi sinh đòi hỏi chất lượng của nước thải, nhiệt độ, lượng cung cấp oxi và độ pH theo một yêu cầu nhất định. Cấp xử lí thứ ba là dùng công nghệ xử lí chỉ bằng một phương pháp hoặc kết hợp nhiều phương pháp như: sinh hoá, kiềm hoá, thổi hoặc trao đổi ion nhằm khử bỏ nitơ, dùng phương pháp hoá trầm tích để khử bỏ phôtpho, dùng phương pháp oxi hoá để khử bỏ mùi thối, phương pháp than hoạt tính hoặc phương pháp lọc để khử bỏ những chất hữu cơ khó phân giải, dùng phương pháp thẩm thấu để khử bỏ các chất muối, dùng phương pháp clo hoá để tẩy độc, v.v…
Viêc xử lí ô nhiễm nước đô thị ở những quốc gia phát triển được bắt đầu từ khá lâu. Nói chung người ta dùng xử lí cấp một làm phương pháp xử lí ban đầu, xử lí cấp hai làm chính, còn xử lí cấp ba rất ít khi dùng. Những quốc gia này đều cố gắng phổ cập bước xử lí cấp hai, quy mô nhà máy xử lí ngày càng lớn. Họ đang phát triển theo hướng tự động hoá các thao tác theo quy trình công nghệ.