三級處理各個單元處理過程如下：
一級處理是它通過機械處理，如格柵、沉淀或氣浮，去除污水中所含的石塊、砂石和脂肪、油脂等。二級處理是生物處理，污水中的污染物在微生物的作用下被降解和轉化為污泥。三級處理是污水的深度處理，它包括營養物的去除和通過加氯、紫外輻射或臭氧技術對污水進行消毒。 最有效和實用的除磷方法是化學沉淀法，即投加石灰或鋁鹽、鐵鹽形成難溶性的磷酸鹽沉淀。石灰與廢水中的磷酸根離子發生如下反應而形成難溶的羥基磷灰石沉淀：
3HPO3-+5Ca2++4OH-=Ca5(OH)(PO4)3↓+3H2O為了保證投加石灰的沉淀除磷效果，必須將pH值提高到9.5～11.5。
鋁鹽和磷酸根反應生成的磷酸鋁在pH值為 6時沉淀效果最好,鐵鹽和磷酸根反應生成的磷酸鐵在PH值為4時沉淀效果最好。為了確定金屬鹽的準確投量，須對待處理的污水進行小型試驗。 生物硝化－反硝化法：是好氧生物處理過程和厭氧生物處理過程串聯工作的系統。污水中的含氮有機物首先經需氧生物處理轉化為硝酸鹽，隨后再經厭氧生物處理將硝酸鹽還原為氮氣析出而被去除。有多種處理流程，如三級串聯的活性污泥法處理系統，其中第一級用于氧化碳水化合物,第二級用于氧化含氮有機物,而第三級是使第二級產生的硝酸鹽在厭氧條件下還原析出氮氣。在所有的處理流程中，都是向厭氧系統中投加一些補充的需氧源（如甲醇），以使反硝化所需的反應時間縮短而切合實用。
物理－化學法：有三種方法，即吹脫法、折點氯化法和選擇性離子交換法。①吹脫法：使污水的銨離子在高pH值的條件下大部轉變成氨氣：
NH4++OH-=NH3↑+H2O
在溫度25℃和pH值為7、9、11的條件下，溶液中NH4+與NH3的分配比分別為180、1.8和0.018,因此吹脫法除氮最適宜的pH值在11左右。將污水調到這樣高的pH值以后送入吹脫塔中，自上而下噴灑流動，與向上流動的空氣逆流接觸而將氨氣吹出。吹脫法的除氮效率主要受到溫度的影響。如在氣溫為20℃和10℃時，除氮率分別為95%和75%。②折點氯化法：見水的消毒。③選擇性離子交換法：是以沸石（特別是斜發沸石）對銨離子比對鈣、鎂和鈉等離子有優先交換吸附的性能為基礎來去除氨氮的。將斜發沸石破碎篩分成20～50目的顆粒，填裝于濾池中。廢水大約以每小時10倍濾床體積的濾速流經沸石濾池。大約流過200倍濾床體積的正常濃度的城市污水以后,濾出水中會出現氨氮。此時便需要用濃食鹽水溶液對沸石濾床進行再生。用過的濃食鹽溶液可通過吹脫等方法脫氨，然后重復使用。 活性炭能有效地除去二級處理出水中的大部分有機污染物。一些三級處理廠的粉末活性炭接觸吸附裝置(或粒狀活性炭過濾吸附裝置)去除化學需氧量(COD)和總有機碳(TOC)的代表性的效率為70～80%，每公斤活性炭吸附容量為0.25～0.87公斤COD,具體吸附容量是由進水的有機物濃度和所要求的出水有機物濃度決定的。在任何情況下，活性炭的實際吸附容量比按吸附等溫線試驗測定的吸附容量大得多。這主要是在活性炭上還有生物吸附和氧化作用所致(見廢水活性炭處理法)。
臭氧氧化法和活性炭吸附法配合使用，往往能更有效地去除有機物并可延長活性炭的使用壽命。臭氧能將有機物氧化降解，減輕活性炭的負荷，還能將一些難以生物降解的大分子有機物分解為易于生物降解的小分子有機物，而便于被活性炭吸附和生物降解。臭氧氧化的廢水流經活性炭濾池時因含有較多的氧氣而會增強活性炭的生物活性，提高生物氧化能力。 用鋁鹽和鐵鹽混凝沉淀，可去除病原體99%以上，經濾池過濾能進一步提高去除率。但是，病原體并未被殺滅，仍在污泥中存活，而用石灰在pH值大于或等于10.5的條件下混凝沉淀則能殺滅污泥中的病毒。用臭氧殺滅病毒的效果也較好。
廢水三級處理廠基建費和運行費用都很昂貴，約為相同規模二級處理廠的2～3倍，因此其發展和推廣應用受到限制，只運用于嚴重缺水的地區或城市，回收和利用經三級處理后的出水。