โรงบำบัดน้ำเสียเป็นสถานที่ที่น้ำสกปรกจะถูกนำไปทำความสะอาดสิ่งปนเปื้อน พืชบางชนิดบำบัดน้ำเสียในขณะที่คนอื่นจัดการกับน้ำเสียอุตสาหกรรมหรือการเกษตร โรงบำบัดน้ำเสียอาจใช้วิธีทางกายภาพเคมีหรือชีวภาพเพื่อทำความสะอาดน้ำทั้งนี้ขึ้นอยู่กับลักษณะและระดับของการปนเปื้อน
บ่อยครั้งที่ขั้นตอนแรกในการบำบัดน้ำเสียคือสูบน้ำผ่านตัวกรองอย่างน้อยหนึ่งตัว วิธีการกรองบางวิธีใช้ผ้าทอแน่นหรือหน้าจออื่น ๆ สิ่งนี้จะกำจัดสิ่งสกปรกออกจากน้ำรวมถึงขยะมูลฝอยหินและเนื้อที่อินทรียวัตถุเช่นใบไม้กิ่งไม้และสัตว์ที่ตายแล้ว นอกจากนี้ยังป้องกันการอุดตันและปัญหาอื่น ๆ ในกระบวนการบำบัดน้ำเสีย ทรายอาจถูกใช้เป็นตัวกรองและมีประสิทธิภาพในการกำจัดอนุภาคขนาดเล็กเช่นแบคทีเรียจากน้ำ
กระบวนการทางกายภาพอื่น ๆ อาจใช้ในการกำจัดของแข็งและก๊าซขนาดเล็กจากน้ำเช่นกัน ด้วยการเติมอากาศให้บริสุทธิ์โรงบำบัดน้ำเสียจะช่วยให้ก๊าซสามารถหนีออกมาจากน้ำและคืนค่าออกซิเจนที่อาจถูกใช้ไปเมื่อสารอินทรีย์สลายตัว นอกจากนี้ยังทำให้ทรายกากกาแฟและอนุภาคละเอียดอื่น ๆ เกาะตัวเพื่อให้สามารถกำจัดออกได้ ผลกระทบนี้สามารถทำได้โดยการตกตะกอนกระบวนการที่แรงโน้มถ่วงทำให้เกิดอนุภาคของแข็งซึ่งหนักกว่าโมเลกุลของน้ำเพื่อตกลงสู่ด้านล่างของถังบำบัดน้ำเสีย ในขณะเดียวกันอนุภาคที่มีน้ำหนักเบาเช่นน้ำมันสบู่และพลาสติกลอยขึ้นไปด้านบนซึ่งพวกมันสามารถถูกตัดออกได้
หากน้ำไม่สามารถชำระให้บริสุทธิ์ด้วยวิธีทางกายภาพโรงงานบำบัดน้ำเสียอาจใช้สารเคมีในการทำความสะอาด คลอรีนใช้กันมากที่สุดในการบำบัดน้ำเสียทางเคมีถึงแม้ว่าโอโซนจะถูกใช้ในบางครั้งและมีผลต่อการฆ่าเชื้อแบคทีเรียที่คล้ายกัน หากคลอรีนไม่ได้ถูกใช้ไปในกระบวนการฆ่าเชื้อแบคทีเรียอาจต้องทำให้เป็นกลางด้วยการเติมสารเคมีอื่น ๆ สารเคมีที่ทำให้เป็นกลางยังใช้ในการปรับสมดุลค่า pH ของน้ำเสีย
โรงบำบัดน้ำเสียอาจใช้ระบบบำบัดน้ำเสียทางชีวภาพเพื่อกำจัดน้ำเสีย โดยปกติแล้วแบคทีเรียที่คัดสรรมาเป็นพิเศษจะถูกเติมลงไปในน้ำซึ่งจะเปลี่ยนสารมลพิษให้กลายเป็นกากตะกอนก๊าซหรือผลพลอยได้อื่น ๆ ที่สามารถกำจัดออกได้ง่ายขึ้น ในการบำบัดน้ำเสียแบบไม่ใช้ออกซิเจนไม่จำเป็นต้องใช้ออกซิเจนในการแปลงนี้ ผลิตภัณฑ์สุดท้ายของการบำบัดน้ำเสียแบบไม่ใช้ออกซิเจนคือก๊าซมีเทนซึ่งมีค่า ในทางตรงกันข้ามการบำบัดน้ำเสียแบบแอโรบิกนั้นต้องการออกซิเจนในน้ำและอาจทำให้เกิดตะกอนจำนวนมากซึ่งมีราคาแพงและยากต่อการกำจัด
ของแข็งที่ถูกกำจัดออกจากน้ำเสียอาจถูกบำบัดด้วยแบคทีเรีย บ่อยครั้งที่พวกมันถูกขังอยู่ในบ่อหมักซึ่งเป็นถังน้ำร้อนขนาดใหญ่ที่ซึ่งแบคทีเรียสามารถสลายของแข็งให้เป็นสารพิษน้อยกว่า จากนั้นขยะอาจถูกส่งไปยังหลุมฝังกลบหรืออาจใช้เป็นปุ๋ย โดยทั่วไปแล้วน้ำที่ผ่านการทำความสะอาดจะถูกส่งไปยังแหล่งน้ำในท้องถิ่น
