Xử lý nước thải chính là quá trình giúp loại bỏ chất ô nhiễm ra khỏi nước thải như nước thải hộ gia đình, nước thương mại và cơ quan. Nó gồm những quá trình vật lý, hóa học, và sinh học để có thể loại bỏ những chất ô nhiễm và sản xuất nước thải được xử lý an toàn với môi trường. Một sản phẩm của xử lý nước thải thường là một chất thải bán rắn hoặc bùn, mà cần phải xử lý hơn nữa trước khi được thải ra hoặc được áp dụng đất.
Đối với những thành phố và các hệ thống thoát nước đều mang theo tỷ lệ nước thải công nghiệp tới những nhà máy xử lý nước thải mà thường chúng đều nhận được tiền xử lý tại những nhà máy nhằm giảm tải ô nhiễm. Nếu hệ thống thoát nước đó là một trong những hệ thống thoát nước được kết hợp thì nó sẽ mang theo dòng chảy đô thị đến nhà máy xử lý nước thải.
Hiện nay về việc sử dụng công nghệ tiên tiế để có thể tái sử dụng nước thải thành nước uống, mặc dù vấn đề này vẫn còn đang tranh cãi.

Lịch sử của việc xử lý nước thải:
Hệ thống thoát nước cơ bản đã được sử dụng để loại bỏ chất thải trong vùng Lưỡng Hà cổ đại, nơi các đường hầm theo chiều dọc mang chất thải đi vào hầm chứa, Hệ thống tương tự tồn tại trong nền văn minh thung lũng sông Ấn của Ấn Độ cho đến ngày nay và Crete cổ đại, Hy Lạp. Trong thời trung cổ các hệ thống thoát nước được xây dựng bởi những người La Mã đã bị bỏ đi và rác thải được thu gom vào hầm chứa được định kỳ làm sạch bởi những người lao động được gọi là ‘rakers’ những người này thường sẽ bán các chất thải làm phân bón cho nông dân bên ngoài thành phố.
Hệ thống xử lý nước thải hiện đại đầu tiên được xây dựng vào giữa thế kỷ XIX như một hành động nhằm đáp ứng đối với điều kiện vệ sinh ngày càng trầm trọng gây ra bởi công nghiệp hóa và đô thị hóa. Do nguồn cung cấp nước bị ô nhiễm, dịch bệnh tả xảy ra vào năm 1832, năm 1849 và năm 1855 tại London, giết chết hàng chục ngàn người. Những điều này kết hợp với ‘vụ hôi lớn”(Big Stink) năm 1858 tức là khi mùi hôi của chất thải con người chưa được xử lí ở sông Thames trở nên không thể kiểm soát và bài báo cáo về cải cách vệ sinh của uỷ viên hoàng gia Edwin Chadwick đã dẫn đến việc Ủy ban công trình đô thị bổ nhiệm Joseph Bazalgette để xây dựng một hệ thống thoát nước ngầm rộng lớn nhằm loại bỏ chất thải một cách an toàn. Trái với các khuyến nghị của Chadwick, hệ thống Bazalgette và những cái khác sau đó được xây dựng trong lục địa châu Âu, không bơm nước thải vào đất nông nghiệp để sử dụng làm phân bón chỉ đơn giản là một đường ống thoát nước tự nhiên ra xa khu dân cư và bơm trở lại vào môi trường.

Nguồn gốc của nước thải:
Nước thải được sinh ra bởi khu dân cư, tổ chức, cơ sở thương mại và công nghiệp. Nó bao gồm dòng chất thải gia đình từ nhà vệ sinh, phòng tắm, nhà bếp, bồn rửa và được thải bỏ thông qua hệ thống cống rãnh.
Trong nhiều lĩnh vực, nước thải còn bao gồm chất thải lỏng từ ngành công nghiệp và thương mại. Sự tách biệt và tiêu thoát nước của rác thải sinh hoạt thành nước xám và nước đen đang trở thành phổ biến hơn ở các nước phát triển, với nước xám được phép sử dụng để tưới cây hoặc tái sử dụng để xả nhà vệ sinh. Nước thải có thể bao gồm nước mưa chảy tràn. Hệ thống thoát nước có khả năng xử lý nước mưa được gọi là hệ thống thoát nước kết hợp. Thiết kế này đã được phổ biến khi hệ thống thoát nước đô thị được phát triển đầu tiên, vào cuối những năm 19 và đầu thế kỷ 20. Cống kết hợp yêu cầu thiết bị xử lý lớn hơn nhiều và tốn kém hơn hệ thống cống rãnh vệ sinh. Dòng chảy với lưu lượng lớn khi có các cơn bão có thể vô hiệu hóa hoàn toàn hệ thống xử lý nước thải, gây ra sự cố tràn hoặc lũ lụt. Hệ thống cống rãnh vệ sinh thường nhỏ hơn nhiều so với hệ thống cống rãnh kết hợp, và nó không được thiết kế để vận chuyển nước mưa. Sự chảy tràn của nước thải chưa qua xử lý có thể xảy ra nếu xâm nhập quá nhiều / dòng chảy (pha loãng bởi nước mưa và / hoặc nước ngầm) chảy vào hệ thống thoát nước vệ sinh.Đô thị hóa ở các cộng đồng giữa thế kỷ 20 hoặc sau đó nhìn chung họ đã xây dựng hệ thống nước thải riêng biệt (hệ thống cống rãnh vệ sinh) và hệ thống thoát nước mưa, vì mưa là nguyên nhân hình thành các dòng chảy khác nhau, làm giảm hiệu suất nhà máy xử lý nước thải. Khi nước mưa đi qua mái nhà và mặt đất, nó có thể nhận các chất ô nhiễm khác nhau bao gồm các hạt đất và trầm tích, kim loại nặng, các hợp chất hữu cơ, chất thải động vật và dầu mỡ.
Một số điều luật yêu cầu nước mưa phải được xử lý ở một mức độ nhất định trước khi thải trực tiếp vào nguồn nước. Ví dụ về quá trình xử lý được sử dụng cho nước mưa bao gồm việc giữ lại trong lưu vực, vùng đất ngập nước, hầm chôn cùng với các phương tiện lọc và tách xoáy (để loại bỏ các chất rắn thô).