多くの有機物が微生物の生存と増殖で代謝・資化されることを利用し、下水中の溶解・浮遊性有機物を培養した微生物の餌とすることで水と炭酸ガス等に酸化分解する方式で、活性汚泥法が代表的である。「生き物」である微生物を適切に育成・管理する必要があるが、比較的低コストでかなり高度な浄化を行うことが出来るため、ほとんどの処理場で主処理（二次処理）工程として採用されている。生物的処理では細菌から原生動物、あるいは微小生物が混在して存在し、代謝・資化による物質循環と食物連鎖が成立していると考えられる。これらは多様な種に及び、無数の新種を抱えている模様だが、実務的には視覚的特徴に基づき分類・管理されている。
以下、生物的処理の詳細について詳述する。
浮遊生物法.
水を曝気・エアレーションにより酸素を溶解させ、同時に攪拌混合するエアレーションタンクを設け、その中に主に好気性微生物を浮遊滞留させて汚水を処理する方式。活性汚泥法と酸化池に分類される。このうち、活性汚泥法には次の方法がある。
生物膜法.
担体法.
浮遊生物法と生物膜法の中間的な方式で、微生物を担持させた担体を水中で流動させ、汚水を処理する。担体の形状や材質
により、担体密度や撹拌方式（無撹拌～浮遊生物法なみ）により、担持させる微生物の種類により、多様な手法が開発・運転されている。
実施設では既存曝気槽を改造し担体を投入する例が多く、そのほか民間ではプラントとして有用物質製造を行う例まで幅広い。
化学的処理.
薬品による放流水の消毒や、高度処理における金属イオンによるリン酸イオンの難溶化処理などがあげられるが、現代では有機物の浄化を行う主処理としては用いられていない。
消毒.
処理水質への要求水準は多様だが、衛生的観点からは病原体の含まれないことは特に重要であり、消毒設備が設けられる。消毒とは人体への感染危険性を低減するもので、医学的・生物学的意味での滅菌とは異なる。病原体とは一部の細菌、ウイルス、原生生物や寄生虫などを指すが、中には消毒の難易度が高いものもある。
消毒効果を計る指標として大腸菌群が用いられる。培養と検出が容易で普遍的な腸内細菌であることを利用し、消化器系病原菌の残存を間接的に検出する。
塩素消毒.
紫外線消毒.