污水經過二級處理后，仍含有磷、氮、難以生物降解的有機物、病原微生物、礦物質等，需要進行三級處理，以便于回收并消除水環境污染。三級處理又稱為高級處理或深度處理。

完善的三級處理由除磷、除氮、除難生物降解的有機物、除病毒和病原菌、除懸浮物和除礦物質等單元過程組成。根據三級處理后出水的使用要求，可以組成不同的流程。如為防止受納水體富營養化，則采用主要是除磷除氮的三級處理；如果直接作為城市飲用水以外的生活用水，例如沖洗廁所、清灑街道、澆灌綠化帶或洗衣、洗車等用水，則可采用低于飲用水的處理措施；如果為保護下游飲用水源或浴場不受污染，則側重除磷、除氮、除病原菌和病毒、除毒物的三級處理。

三級處理的單元工藝主要采用物理化學方法。