La depurazione è essenziale per "ripulire" le acque reflue e restituirle all'ambiente in buone condizioni. Infatti queste acque non possono essere reimmesse in natura senza prima essere trattate, in quanto il loro carico inquinante è troppo gravoso e superiore alla capacità autodepurativa del corpo recettore (fiume, lago, mare o terreno). Le acque reflue vengono pertanto raccolte dalla rete fognaria e convogliate verso gli impianti di depurazione, a servizio di intere città o estesi comprensori costituiti da più comuni. Negli impianti tradizionali vengono di norma trattati gli scarichi domestici (acque reflue urbane) e gli scarichi industriali (reflui provenienti dalle lavorazioni) purché siano compatibili con quelli civili. Le acque di rifiuto industriale contenenti sostanze tossiche o pericolose vanno trattate o pretrattate nei luoghi di produzione.
Nella depurazione si sfruttano varie leggi della fisica: dalla forza di gravità al principio di Archimede (corpo nel fluido che riceve la spinta verso l'alto) alle forze di coesione. Vari comparti depurativi sfruttano forze e principi diversi: nella grigliatura e nella sedimentazione si applicano processi di tipo fisico; la chiariflocculazione, reazione chimica, viene effettuata con aggiunta di particolari agenti chimici; la depurazione biologica con fanghi attivi avviene ad opera di microrganismi aerobici. La maggior parte degli impianti ha rese depurative elevate (90% o superiore). La concentrazione delle varie sostanze inquinanti allo scarico deve comunque essere inferiore ai valori limite imposti dalla normativa (in Italia dal D.Lgs. 152/2008).
I primi trattamenti in un impianto di depurazione sono di carattere meccanico. Comprendono in successione: la grigliatura per rimuovere i corpi solidi (sassi, pezzi di legno, plastiche) che potrebbero danneggiare le pompe e le parti meccaniche del depuratore o intasare le tubazioni; la dissabbiatura che sfruttando la forza di gravità porta a una eliminazione degli inquinanti più pesanti dell'acqua dal refluo; la disoleatura con cui vengono eliminate le sostanze più leggere dell'acqua (oli e grassi) che risalgono sulla superficie (la loro risalita viene spesso favorita dall'insufflazione dell'aria). C'è infine la sedimentazione primaria all'interno di una vasca, di elevati volumi, dove avviene la separazione per gravità dei solidi sospesi sedimentabili (in particolar modo del materiale organico sedimentabile). Sul fondo della vasca si accumula fango che viene raschiato e inviato nelle tramogge di raccolta per i trattamenti successivi.
Seguono i trattamenti biologici, con un processo iniziale di ossidazione biologica che avviene in una vasca a fanghi attivi (vasca di aerazione). Questo trattamento consente di rimuovere le sostanze disciolte e i solidi sospesi. Il processo avviene grazie all'azione metabolica di microrganismi aerobici che necessitano di ossigeno per la digestione delle sostanze e per la loro riproduzione. L'ossigeno viene fornito mediante insufflazione di aria dal fondo della vasca. Il processo porta a formare fiocchi di fango che sono eliminati per sedimentazione nella fase successiva. Si tratta della sedimentazione secondaria, che avviene in una vasca in cui i fiocchi di fango attivo sedimentano verso il fondo dove vengono raccolti da un ponte raschiatore; parte del fango attivo è fatta ricircolare nella vasca di aerazione mentre la restante parte è inviata alla linea fanghi. Dal sedimentatore viene scaricata nel corpo recettore l'acqua depurata (effluente).
I nuovi impianti prevedono anche comparti e processi per la rimozione dell'azoto e del fosforo, che sono spesso causa di eutrofizzazione dei corpi idrici recettori. La denitrificazione avviene per via biologica e ad opera di specifiche colonie di batteri; per la defosfatazione si utilizza un processo chimico, che prevede l'aggiunta di agenti chimici flocculanti.
Ovviamente i fanghi prodotti dai vari comparti depurativi sono oggetto di trattamento. I fanghi dalla sedimentazione primaria e secondaria sono spillati e pompati nel preispessitore nel quale vengono concentrati, per poi essere inviati nel digestore dove avviene la digestione anaerobica del fango e la produzione di biogas ad opera di batteri metanogeni. Il biogas viene accumulato nel gasometro e utilizzato come fonte energetica. Il fango digerito viene in questa ultima fase finale disidratato e inviato in agricoltura, a compostaggio o a smaltimento in discarica autorizzata.