Mục đích xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là keo tụ các loại keo không lắng và phân hủy các chất hữu cơ nhờ hoạt động của vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí. Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy sinh học thường là các chất khí (khí CO2, N2, CH4, H2S), các chất vô cơ (NH4+, PO43-) và các tế bào mới. Các quá trình sinh học chính sử dụng trong xử lý nước thải gồm 2 nhóm chính là: quá trình hiếu khí và quá trình kỵ khí. Phương pháp sinh học có ưu điểm là rẻ tiền và khả năng tận dụng các sản phẩm phụ làm phân bón (bùn hoạt tính) hoặc tái sinh năng lượng (khí metan)