Xử lý nước thải (hoặc xử lý nước thải sinh hoạt, xử lý nước thải đô thị) là một loại xử lý nước thải nhằm loại bỏ chất ô nhiễm từ nước thải để tạo ra một chất thải lỏng phù hợp để xả ra môi trường xung quanh hoặc ứng dụng tái sử dụng dự định, do đó ngăn chặn ô nhiễm nước từ việc xả nước thải nguyên chất. Nước thải chứa nước thải từ các hộ gia đình và doanh nghiệp và có thể đã được xử lý sơ bộ xử lý nước thải công nghiệp. Có rất nhiều quy trình xử lý nước thải để lựa chọn. Những quy trình này có thể từ hệ thống nước thải phân tán (bao gồm các hệ thống xử lý tại chỗ) đến các hệ thống trung tâm lớn bao gồm một mạng lưới ống dẫn và trạm bơm (gọi là hệ thống cấp thoát nước) để dẫn nước thải đến nhà máy xử lý. Đối với các thành phố có hệ thống thoát nước tổng hợp, các cống rãnh cũng sẽ dẫn dòng chảy đô thị (nước mưa) đến nhà máy xử lý nước thải. Quá trình xử lý nước thải thường bao gồm hai giai đoạn chính, được gọi là giai đoạn sơ cấp và xử lý thứ cấp, trong khi xử lý nâng cao cũng bao gồm một giai đoạn xử lý thứ ba với các quy trình đánh bóng và loại bỏ dưỡng chất. Xử lý thứ cấp có thể giảm chất hữu cơ (được đo bằng nhu cầu oxy hóa sinh học) từ nước thải, sử dụng quá trình sinh học dưới điều kiện có oxy hoặc không có oxy. Một số lượng lớn các công nghệ xử lý nước thải đã được phát triển, chủ yếu sử dụng các quy trình xử lý sinh học. Các kỹ sư thiết kế và người ra quyết định cần xem xét tiêu chí kỹ thuật và kinh tế của mỗi phương án khi lựa chọn công nghệ phù hợp. Thường thì, tiêu chí chính để lựa chọn là: chất lượng chất thải mong muốn, chi phí xây dựng và vận hành dự kiến, diện tích đất có sẵn, nhu cầu năng lượng và các khía cạnh bền vững. Ở các nước đang phát triển và ở các khu vực nông thôn với mật độ dân số thấp, nước thải thường được xử lý bởi các hệ thống vệ sinh tại chỗ và không được dẫn đi qua hệ thống cống rãnh. Những hệ thống này bao gồm bể phốt kết nối với cánh đồng thải, các hệ thống xử lý nước thải tại chỗ (OSS), hệ thống vermifilter và nhiều hơn nữa. Mặt khác, nhà máy xử lý nước thải tiên tiến và tương đối đắt đỏ ở các thành phố có thể mua chúng có thể bao gồm xử lý cấp ba với khử trùng và có thể thậm chí có một giai đoạn xử lý thứ tư để loại bỏ các chất ô nhiễm vi mô. Ở cấp độ toàn cầu, ước tính có 52% nước thải được xử lý. Tuy nhiên, tỷ lệ xử lý nước thải rất không đồng đều giữa các quốc gia trên thế giới. Ví dụ, trong khi các quốc gia thu nhập cao xử lý khoảng 74% nước thải của họ, các quốc gia đang phát triển chỉ xử lý trung bình 4,2%. Việc xử lý nước thải là một phần của lĩnh vực vệ sinh. Vệ sinh cũng bao gồm việc quản lý phân người và chất thải rắn cũng như quản lý nước mưa (thoát nước). Thuật ngữ nhà máy xử lý nước thải thường được sử dụng đồng nghĩa với thuật ngữ nhà máy xử lý nước thải.