分析水污染可以从几大方面进行：物理的、化学的和生物的。大多数需要搜集样本，进行专业分析测试。一些方式可以无需样本现场进行，如温度。
对水样本进行物理或化学测试有许多方法，可根据精准要求和污染物特征选用。许多污染时间与时间紧密相连，特别是雨季来临时。由此，匆忙搜集的样本常常不足以确定污染水平。在搜集这类数据时，科学家常常使用自动取样机定时取样。 生物样本测验要从水体搜集动植物资料。根据测试种类要求，生物体可能会在测量后放回水体，或通过生物检定法进行解剖来确定毒性。
化学测试：水样本也会用到分析化学来检验。许多现成的测试方式可以用于检验有机和无机化合物。常用的方式包括检验pH值、生化需氧量、化学需氧量、营养素（硝酸盐和磷化合物）、金属（包括铜、锌、镉、铅和汞）、油、总石油烃含量和农药等。
生物测试 ：生物测试包括利用动植物和微生物作为指标来监控水域生态系统健康。这些生物的功能、数量和状况可以揭示生态系统和环境的现状。例如，桡脚类和其它小型水生甲壳亚门可以作为生态指标。观察这些生物的变化（如生化、生理或行为）可以反映出它们所处的生态系统中的问题。
水质污染的治理 ：
在清理废水上，根据类型和污秽的程度，有许多方法可以使用。大多数的废水可以在工业规模的废水处理场中处理，其中会使用包括物理式、化学式还有生物式的处理程序。然而，化粪池与其他污水就地处理设施（OSSF）普遍在乡下地区被广为使用，这其中包括了美国四分之一以上的家庭。最重要的好氧性处理系统是活性污泥法，这个方法必须维持并再循环可以减少废水中有机物的微生物总量。厌氧性的处理方法广泛的被应用在工业废水与生物污泥的处理上。一些废水可以高度净化过后而回收成为中水。生态学取向的废水处理方式，像是使用芦苇床处理系统（RBTS）的人工湿地是可能可以采取的方式。现代的处理系统包括由首先是微孔滤膜法（或是Micro filtration，MF）或合成透析膜（synthetic membranes）过滤的三重处理过程。经过滤膜过滤后，处理过的水和从自然水源得到的水，在饮用的水质上无法分辨。可以透过微生物的脱硝作用来移除废水中的硝酸盐，通常会加入小量的甲醇来防止细菌以废水当作碳的来源而滋生。臭氧废水处理（Ozone Waste Water Treatment）也逐渐开始流行，这样的系统需要臭氧产生机（Ozone Generator），利用臭氧气泡过滤通过水槽来净化废水。来自于工业工厂的废水处理是个困难而且昂贵的问题。大多数的石油炼制厂与石化厂有就地的处理设施去处理它们的废水，故处理后废水在排放到民用的废水处理场或是河流、湖泊或海洋之前，水中污染物浓度必须符合当地或/和国家的合法标准。
工业废水处理：一些工业设施产生的废水类似常见的生活污水，可以通过市政设施处理。另一些工厂产生的废水中常见污染物含量很高（如油腻），或含毒（如重金属、挥发性有机化合物）及其它不常见污染物（如氨），则需要特殊系统处理。有些工厂安装预处理系统来除去有毒成分，尔后将部分处理过的废水排入市政系统。产生大量废水的工厂通常由自己的处理系统。还有一些工厂重新设计生产工艺，减少或消除污染物，即污染预防。
点源废水处理：大型牲畜和畜禽农场，如工业化农场，即“集中型动物饲养经营”或“饲养场”在美国受到越来越多的政府监管。畜禽粪便在密闭的厌氧塘里处理，尔后撒入操场。人工湿地有时被用于处理动物废弃物。一些畜禽粪便和秸秆、堆肥一起混合后高温处理，生成无菌松脆的肥料，改良土壤。
回收再用：经过处理过的废水可利用回收作为饮用水，如新加坡；或是作为工业上的使用，如冷却塔；或是用来作地下水补注；或是用在农业上，像以色列70%的农业灌溉都是用高度净化的废水；或是如佛罗里达的沼泽地那样，利用处理过的废水来进行自然生态系的修复重建工作。