污水经过二级处理后，仍含有磷、氮、难以生物降解的有机物、病原微生物、矿物质等，需要进行三级处理，以便于回收并消除水环境污染。三级处理又称为高级处理或深度处理。

完善的三级处理由除磷、除氮、除难生物降解的有机物、除病毒和病原菌、除悬浮物和除矿物质等单元过程组成。根据三级处理后出水的使用要求，可以组成不同的流程。如为防止受纳水体富营养化，则采用主要是除磷除氮的三级处理；如果直接作为城市饮用水以外的生活用水，例如冲洗厕所、清洒街道、浇灌绿化带或洗衣、洗车等用水，则可采用低于饮用水的处理措施；如果为保护下游饮用水源或浴场不受污染，则侧重除磷、除氮、除病原菌和病毒、除毒物的三级处理。

三级处理的单元工艺主要采用物理化学方法。