Le traitement d’une eau brute dépend de sa qualité, laquelle est fonction de son origine et peut varier dans le temps. L’eau à traiter doit donc être en permanence analysée car il est primordial d’ajuster le traitement d’une eau à sa composition et, si nécessaire, de le moduler dans le temps en fonction de la variation observée de ses divers composants. Il peut arriver cependant qu’une pollution subite ou trop importante oblige l’usine à s’arrêter momentanément.

Le traitement classique et complet d’une eau s’effectue en plusieurs étapes dont certaines ne sont pas nécessaires aux eaux les plus propres.

L’oxydation : si les eaux à traiter contiennent beaucoup de matières organique, ou encore de l’ammoniaque, du fer ou du manganèse, une étape d’oxydation préalable est nécessaire. Elle permet d’éliminer plus facilement ces substances au cours de l’étape suivante dite de clarification. On utilise pour cela un oxydant comme le chlore ou l’ozone.

La clarification : la clarification permet l’élimination des particules en suspension. Après son passage à travers des grilles qui retiennent les matières les plus grosses, l’eau est acheminée dans des bassins dits de décantation. Là, sous l’effet de leur poids, les particules gravitent vers le fond où elles se déposent. L’eau décantée est ensuite filtrée à travers une ou plusieurs couches d’un substrat granulaire, comme du sable, qui retient les particules résiduelles, les plus fines.
Pour faciliter cette étape, et en particulier éliminer les particules en suspension de très petites tailles, l’ajout d’un produit chimique (un coagulant) permet à ces particules de s’agglomérer. Plus grosses et plus lourdes, les nouvelles particules sont plus facilement décantées et filtrées. On appelle ce procédé la coagulation/floculation.

La désinfection : en fin de traitement, la désinfection permet l’élimination des micro-organismes pathogènes (bactéries et virus). On utilise pour cela soit un désinfectant chimique comme le chlore ou l’ozone, soit des rayonnements ultraviolets.
Il est important que ce traitement persiste tout au long du réseau afin qu’aucun germe ne puisse se développer dans les canalisations où l’eau peut séjourner plusieurs jours.

Enfin, si besoin est, la dureté et l’acidité de l’eau sont corrigées afin de protéger les canalisations de la corrosion ou de l’entartrage.

Lorsque cette chaîne traditionnelle de traitement ne suffit pas, ce qui est de plus en plus souvent le cas, compte tenu de la présence de quantités croissantes de certains polluants comme les nitrates et les pesticide, certains traitements spécifiques sont appliqués.
Le procédé d’adsorption sur charbon actif notamment permet d’éliminer, après un éventuel traitement d’oxydation, des polluants organiques dissous comme certains pesticides ou hydrocarbures. Le charbon actif est utilisé soit sous forme de poudre lors de la floculation, soit en grains dans d’épais lits de filtration. Les molécules organiques, dont la taille a été réduite lors de l’oxydation, pénètrent et se fixent dans les pores du charbon actif. On utilise aussi parfois un charbon actif dit biologique, lequel possède, adsorbées sur ses parois, des micro-organismes grands consommateurs de matières organiques biodégradables. L’intérêt d’un tel procédé est qu’il permet d’extraire des micropolluants organiques sans employer de produits chimiques.
D’autres techniques ont également été développées en raison de l’augmentation de la teneur en nitrates des eaux brutes. Sont utilisées aujourd’hui dans certaines unités, la dénitratation au moyen de résines échangeuses d’ions qui permettent de remplacer l’ion nitrate par un autre ion sans danger, comme l’ion chlorure ou l’ion carbonate, ou la dénitrification biologique (utilisant des bactéries) qui permet de transformer l’ion nitrate en azote gazeux.

Si tous ces procédés permettent bel et bien d’améliorer significativement la qualité des eaux brutes, l’usage de réactifs chimiques ne va pas sans poser certaines difficultés. C’est le cas par exemple de l’usage du chlore comme désinfectant, longtemps considéré pourtant comme une véritable panacée. En effet, en réagissant avec certaines molécules organiques, le chlore peut voir sa concentration dans l'eau diminuer rapidement sur le réseau de distribution, ce qui peut favoriser le développement de micro-organismes. Par ailleurs, ces réactions conduisent à la formation de produits dont certains sont suspectés de toxicité pour l'homme. Ils font d'ailleurs l'objet de normes spécifiques dans la dernière directive européenne sur la qualité de l'eau destinée à la consommation humaine, laquelle doit être prochainement transposée en droit français. Les atouts du chlore demeure néanmoins réels, puisqu'il constitue toujours la meilleure garantie de préservation de la qualité microbiologique de l'eau durant son transport, de l'usine de traitement jusqu'aux habitations.
L’idéal serait bien sûr de pouvoir traiter l’eau sans avoir recours à des réactifs chimiques : c’est ce que permettent en partie aujourd’hui les procédés de filtration sur membranes.