수질오염은 물이 천연적으로 가지고 있는 물리적·화학적·생화학적 또는 세균학적 특성이 상호 연관된 자연·인위적인 요소에 의하여 변화함으로서 물을 이용하는데 지장을 초래하거나 물의 환경에 변화를 가져와 생태계에 영향을 주게 된다.
생태계의 여러 종류가 서식하고 있는 지구표면, 즉 지권(地圈)·수권(水圈)·대기권(大氣圈)을 환경이라고 하는데, 이러한 환경 내에서는 각종 생물이 질서 있는 활동에 의하여 물질이 평형을 이루며 순환하고 있으며, 그 결과 각 권에서 순환물질의 질량·농도(濃度)는 일정수준을 유지하여 오고 있다. 그러나 한 종(種)이 다른 종들을 제압하면서 지나치게 번식하고 활동할 때, 그 폐물질이 환경 내에 체적(滯積)되며, 물질순환의 평형이 깨지면서 특정 물질의 농도수준이 국부적으로 달라지고, 결국은 그 종의 생존 및 번식에도 해를 미치는 오염현상이 생기게 된다. 오늘날 인구의 증가와 산업활동은 그러한 현상을 야기시키고 있는데, 예를 들면 대기권에 이산화탄소의 농도가 증가하고, 수권에 유기물질 농도가 증가하는 한편 용존산소의 농도가 감소하는 까닭은 인간사회에서 배출되는 폐물질이 너무 많고 그것이 생태계의 물질순환능력을 초과하고 있기 때문이다.
수질을 오염시키는 액상 폐기물의 성분을 세밀하게 분류하면, 그것은 무기물질·미생물·방사성물질·열·유기물질 등으로 나누어진다. 무기물질은 하천에 탁도(濁度)를 나타내기도 하고, 일부의 금속류는 생태계와 인간에게 직접 또는 먹이연쇄(food chain)를 통하여 간접적으로 해를 주기도 한다. 미생물은 대부분이 인간에게 무해하거나 또는 유익한 것들이지만, 인간배설물과 함께 배출되는 것 중에는 병원균도 있을 수 있다. 병원균은 자연수역에서 오래 생존할 수 없지만 어떠한 경로에 의해 인체에 들어간 후 질병을 일으킬 수 있다. 물의 미생물오염수준을 판단하는 지표로서 대장균의 농도가 흔히 이용된다. 방사성 물질 중에는 반감기가 긴 것들이 많은데, 그러한 것들은 수중에 남아 있다가 먹이연쇄를 통하여 인간에게 해나 위험을 줄 수 있다. 냉각용수 등으로 사용되었던 온도가 높은 물이 하천에 방류되어 온도를 지나치게 높일 때, 그러한 높은 수온에 적응할 수 없는 생물의 종은 소멸되고 잘 적응할 수 있는 종만이 번식하게 되는데, 이러한 하천생태계의 변화는 대체로 인간생활에도 역영향을 준다. 높은 수온은 용존유기물질의 분해율을 높이기도 하지만, 하천수의 재폭기율(再曝氣率)과 나아가서 용존산소농도를 감소시키기도 한다.
유기물질은 가장 중요한 오염물질이다. 유기물질은 수중에서 세균·균류 등에 의하여 생화학적으로 분해되는데, 이 때 용존산소가 소비되므로, 지나치게 많은 유기물질이 자연수역에 방류될 때 수중의 산소가 결핍되거나 또는 없어진다. 그러면 물고기 등과 같이 산소 공급을 필요로 하는 생물이 분포변화·감소·멸종될 수 있다. 산소가 없는 상태에서는 유해한 황화수소 등이 발생하고, 물이 산성(酸性)이 되는 등 화학적 성분이 악화되고, 냄새가 나며, 물의 미관(美觀)이 저하된다. 오염유기물질의 강도를 판단하는 척도로서 생화학적산소요구량(Biochemical Oxygen Demand; BOD)이 통용되고 있다. 또한 유기물질 중의 인과 질소성분은 호수 등의 폐쇄수역을 부영양화(富營養化)시키기도 하고 합성유기물질인 농약·합성세제 등은 수중생태계 및 인간에게 직·간접으로 피해를 주며 용수의 질을 저하시키기도 한다.
또한, 유기물질중 하나인 기름이 수송과정에서 해역에 누출되면, 해수면을 덮고 대기와 해수 사이의 물질교환을 차단하므로 그 밑의 해양생태계에 치명적인 피해를 줄 수 있다. 수질오염에 관한 표현을 이해하는 데에 필요한 몇 가지 용어가 있다. 일반적으로 하천의 오염수준을 나타내기 위하여 용존산소(Dissolved Oxygen; DO)농도가 이용된다. DO농도가 포화상태에 접근할수록 그 수역은 건강하며, 생명을 지지하는 능력이 크게 된다. BOD는 오염유기물질의 강도를 나타내며, 수중의 BOD농도가 증가하면 DO농도는 감소된다. BOD는 생물학적 처리가 가능한 유기물질의 강도만을 나타내는데, 불가능한 것까지 포함한 전체유기물질의 강도로서 화학적산소요구량(Chemical Oxygen Demand; COD)이 사용된다. 수중의 탁도를 나타내는 지표로서 현탁고형물(Suspended Solids; SS)이라는 용어가 사용된다. 대장균군은 자체가 병원균은 아니지만 대부분이 인체의 항문을 통하여 배출되므로 미생물오염도 또는 병원균에 대한 위생상 안전도를 나타내는 지표로서 이용된다.