La pollution de l'eau provient essentiellement des villes, de l'industrie et de l'agriculture. La pollution générée par les deux premières est localisée (pollution "ponctuelle"), et peut être partiellement traitée (voir ci-dessous), tandis que l'agriculture provoque une pollution "diffuse", dispersée dans les champs, qui atteint les nappes souterraines et les rivières progressivement. Les principales familles de polluants sont les suivantes :

Les matières en suspension
Les matières en suspension sont de fines particules. Présentes naturellement dans l'eau des rivières pour certaines (plancton, débris végétaux fins, minéraux), elles sont aussi des polluants d'origine humaine pour d'autres (matières organiques et minérales). Elles peuvent réduire la transparence de l'eau (turbidité), ce qui est néfaste pour la biologie des cours d'eau.

La pollution organique
Certains rejets contiennent des matières organiques*Ces polluants sont biodégradables : ils peuvent être transformés en eau et en CO2 par des micro-organismes (bactéries, algues). Mais cette biodégradation consomme de l'oxygène, qui ne sera donc plus disponible pour la faune aquatique (poissons, crustacés...). C'est pourquoi l'on mesure souvent la pollution organique par la " demande biologique en oxygène*" (DBO), autrement dit la quantité d'oxygène qui sera consommée par des micro-organismes pour sa biodégradation*. On mesure également la " demande chimique en oxygène*" (DCO), c'est à dire la quantité d'oxygène nécessaire pour oxyder tout ce qui peut l'être par voie chimique.

La pollution microbiologique
L'eau peut contenir des micro-organismes pathogènes (des virus, des bactéries, des parasites). Ils sont dangereux pour la santé humaine, et limitent donc les usages que l'on peut faire de l'eau (baignade, élevage de coquillage).

Les matières fertilisantes
La présence d'azote et de phosphore en quantité excessive dans les cours d'eau entraîne la prolifération d'algues qui diminuent la luminosité et surtout consomment l'oxygène dissous dans l'eau (phénomène d'eutrophisation*). Cette pollution est produite par les eaux usées urbaines, certains effluents industriels,et le ruissellement des eaux chargées d'engrais apportés en excès aux cultures.

Les polluants métalliques et polluants chimiques persistants
Certains polluants chimiques (des pesticides par exemple) sont particulièrement persistants : ils résistent à la dégradation chimique et biologique. Avec les métaux lourds* (plomb, mercure, cadmium, cuivre, zinc, nickel, chrome...), ils forment une famille de polluants très dangereux : absorbés par des plantes ou des petits animaux, ils s'accumulent et se concentrent tout au long de la chaîne alimentaire, au sommet de laquelle se trouve l'homme.

Les sels minéraux
Présents naturellement dans l'eau en faible quantité, les sels minéraux (chlorures ou sulfates de calcium, de magnésium, de sodium ou de potassium) peuvent voir leur concentration s'élever à la suite de rejets industriels. Cela peut nuire à la biologie aquatique.