Berbagai metode proses pengolahan air limbah digunakan sebelum air limbah dibuang. Tujuannya adalah untuk mencegah kontaminasi air di tempat rekreasi atau di persediaan air setelah air limbah yang diolah dilepaskan. Sebagian besar waktu, air limbah diperlakukan selama proses aliran terus menerus baik dengan pengolahan air limbah kimia atau dengan metode fisik atau biologis. Metode ini dan tahapan pengolahan yang berbeda terjadi di instalasi pengolahan air limbah, fasilitas yang dirancang untuk menangani volume air yang besar dan membuang senyawa limbah dengan aman.
Proses pengolahan air limbah fisik tidak menambahkan komponen kimia atau bahan biologis untuk mengolah air. Air dapat disaring untuk menyaring benda-benda besar. Ini juga dapat diobati dengan cara sedimentasi, di mana padatan mengendap di dasar di bawah pengaruh gravitasi. Air yang bebas dari padatan kemudian dapat dihilangkan. Proses fisik lainnya termasuk penambahan udara untuk menyediakan oksigen di dalam air limbah, dan air juga dapat dilewatkan melalui filter untuk menghilangkan bahan padat.
Cara lain untuk mengolah air limbah adalah dengan menggunakan bahan kimia seperti klorin, yang membunuh bakteri, serta ozon. Bahan kimia ini berfungsi untuk mengoksidasi air, membunuh patogen, dan memperlambat laju dekomposisi. Asam atau basa juga dapat ditambahkan ke dalam campuran untuk menetralkan pH air limbah, sementara bahan kimia koagulasi bereaksi dengan bahan di dalam air untuk membuatnya lebih mudah dihilangkan. Metode kimia dan fisika sering digabungkan dalam proses pengolahan air limbah, seperti ketika karbon aktif digunakan untuk menghilangkan zat organik.
Bakteri dan mikroorganisme lainnya dapat digunakan dalam pengolahan air limbah biologis. Ini menguraikan bahan biologis lainnya dalam air limbah dan, tergantung pada tingkat oksigen dalam air, metode pengolahan air limbah aerobik atau anaerobik dapat dilakukan. Padatan organik dan anorganik juga dapat dihilangkan sebagai lumpur pengolahan air limbah.
Setiap proses pengolahan air limbah memiliki tujuan, dan proses yang berbeda digunakan tergantung pada tahap pengolahannya. Proses fisik sering digunakan dalam perawatan pendahuluan, yang melibatkan penggunaan perangkat penyaringan, pemotongan, dan penghancuran. Perawatan primer meliputi proses fisik dan kimia, dan lebih bergantung pada tangki besar. Pengolahan air limbah biologis biasanya merupakan metode yang digunakan untuk pengolahan sekunder, dan metode fisik atau bahan kimia digunakan pada tahap yang lebih lanjut dari proses pengolahan air limbah. Air limbah biasanya diolah dalam beberapa tahap yang menggabungkan berbagai metode fisik, kimia, dan biologis.