Onder waterverontreiniging verstaan we elke verandering in samenstelling of hoedanigheid van oppervlakte- of grondwater, waardoor het voor enig doel ongeschikt of minder geschikt wordt. Deze waterverontreiniging kent tal van aspecten.

Voor oppervlaktewater kunnen de belangrijkste vormen van verontreiniging als volgt worden geclassificeerd:

a. Een mechanische verontreiniging met drijvende stoffen als olie en lichte bestanddelen uit ongereinigd huishoudelijk en industrieel afvalwater, met troebelmakende stoffen als gesuspendeerd slib en met kleurgevende stoffen als colloïdaal opgeloste humuszuren of verfbaden uit de textielnijverheid. Hierdoor kan het water ongeschikt worden voor recreatie en minder geschikt voor de bereiding van drinkwater.
b. Een fysische verontreiniging met warmte door lozing van koelwater (zie thermische verontreiniging), waarmee de oplosbaarheid van zuurstof wordt verminderd en de biochemische oxidatie van organisch materiaal wordt versneld met door beide factoren een verdergaande daling van het zuurstofgehalte.
c. Een anorganisch chemische verontreiniging met opgeloste gassen als kooldioxide en met opgeloste zouten als de waterstofcarbonaten, sulfaten, fosfaten en chloriden van calcium, magnesium, natrium en kalium. Het uiterlijk en de recreatieve gebruiksmogelijkheden van het water veranderen hierdoor meestal niet, terwijl voor drink- en industriewater zelfs een minimumgehalte aan waterstofcarbonaten nodig is om corrosie te verhinderen. Van verontreiniging kan daarom eerst worden gesproken wanneer het totale zoutgehalte boven 200 à 300 g/m3 stijgt, waarna ook schade bij gebruik in de landbouw moet worden gevreesd.
d. Een organisch chemische verontreiniging met oxideerbaar materiaal dat, colloïdaal of moleculair in het water opgelost, door micro-organismen wordt afgebroken. Hierbij wordt zuurstof verbruikt, waardoor ondanks de toevoer van zuurstof uit de lucht het zuurstofgehalte zal dalen, met in extreme gevallen vissterfte, rotting, stank en een onaangenaam zwart uiterlijk van het water. Gebruik als grondstof voor drinkwaterbereiding vereist een verdergaande zuivering, terwijl de gevormde reuk- en smaakstoffen moeilijk geheel kunnen worden weggenomen.
e. Een chemische verontreiniging met toxische stoffen, variërend van zware metalen als arsenicum, cadmium, chroom, koper, kwik, zink en lood tot complexe synthetische producten als bestrijdingsmiddelen, PCB's, en met radioactiviteit. De lozing van zware metalen is in de jaren tachtig verlaagd, m.n. voor kwik, chroom en lood. De afvloei van bestrijdingsmiddelen bleek in de tweede helft van de jaren tachtig aanzienlijk. In veel gebieden drongen de bestrijdingsmiddelen door in het grondwater. Ten gevolge van deze verontreinigingen worden soms in drinkwater te hoge gehalten bestrijdingsmiddelen geconstateerd.
f. Een chemische verontreiniging met plantenvoedingsstoffen (kunstmeststof) als nitraten en fosfaten, waardoor in stilstaand of langzaam stromend water algengroei en secundaire waterverontreiniging zullen optreden (eutrofiëring).
g. Een biologische verontreiniging met virussen, bacteriën (bijv. Clostridium botulinum) en andere ziekteverwekkende organismen, parasieten en wormeieren, waardoor het water ongeschikt wordt als zwemwater.

Voor alle verontreinigingen geldt dat zij worden verminderd door zelfreiniging, waarbij warmte aan de atmosfeer wordt afgegeven, afbreekbaar organisch materiaal wordt geoxideerd, pathogene organismen afsterven en zoutgehalten afvlakken. Zie ook afvalwater. Deze zelfreiniging kan kunstmatig worden verbeterd door de aanleg van stuwmeren, waarin het water langere tijd verblijft.

Door de filtrerende werking van de ondergrond kan grondwater alleen met in ware oplossing opgeloste stoffen worden verontreinigd. De natuurlijke verontreiniging bestaat vnl. uit zouten, inclusief radioactieve stoffen en zware metalen. Kunstmatig worden hier vooral aan toegevoegd de in de landbouw gebruikte meststoffen en bestrijdingsmiddelen, alsmede olie en andere chemicaliën (bijv. fenol) uit lekkende tanks en leidingen. Zie voorts grondwaterverontreiniging.

Waterverontreiniging vermindert niet alleen de gebruiksmogelijkheden voor de mens, doch kan grote invloed hebben op natuurlijke populaties van vooral waterorganismen.
Het gaat hier in grote lijnen om de volgende groepen:
a. algen, dwz. eencellige groene organismen, die met behulp van licht koolstofdioxide en water kunnen omzetten in organisch materiaal, nl. koolhydraten, vetten en eiwitten;
b. zoöplankton (o.a. watervlooien), kleine (0,1–1 mm) dieren, die leven ten koste van de algen en zelf als voedsel dienen voor de vissen;
c. vissen;
d. bodemorganismen, zoals larven van muggen, en gelede wormen, zoals tubifex.

Geruime tijd voordat waterverontreiniging merkbaar wordt in verband met het watergebruik, blijken ernstige verstoringen op te treden in de hierboven vermelde levensgemeenschappen. Zo blijkt de chemische verontreiniging met plantenvoedingsstoffen als vooral nitraten, maar ook fosfaten, te leiden tot een overmatige algengroei (waterbloei). Tijdens de bloei wordt de zelfreinigende werking van het water overschreden. Er ontstaat zuurstoftekort en soms massale vissterfte. Er kan massale bloei van blauwwieren optreden die giftige toxinen produceren. Ook kan groei van Clostridium botulinum optreden onder vorming van het uiterst giftige botuline-toxine. Voor de zware metalen, een andere anorganische verontreiniging, blijken vele soorten watervlooien erg gevoelig te zijn. Enkele soorten kunnen concentraties van 10 mg koper per m3 niet overleven. Bij de drinkwaterbereiding is het nog steeds mogelijk de zware metalen die via de grote rivieren binnenkomen, op eenvoudige wijze te verwijderen. Toch is het nodig de toevoer van zware metalen naar rivier- en oppervlaktewater te beperken. Door het lozen van organische stoffen in het water ontstaan zuurstoftekorten, daar de organische stof door bacteriën wordt geoxideerd onder opname van zuurstof. Het zuurstoftekort leidt uiteindelijk tot vissterfte.

Voor de juiste bescherming van de aquatische biocoenose zou een oxidatieve rioolwaterzuivering moeten leiden tot een minimumzuurstofgehalte van 90%. Daarnaast moeten uit het rioolwater ten minste ook de fosfaten verwijderd worden. Voorts veroorzaken de vele organische verbindingen die slechts langzaam afgebroken worden veel schade.

In nog steeds toenemende mate wordt het oppervlaktewater ook gebruikt voor het lozen van de afvalwarmte van fabrieken en elektrische centrales. Indien de lozing van warmte op een zodanige schaal plaatsvindt dat het natuurlijk evenwicht verstoord wordt, dan spreekt men van thermische verontreiniging.