Lors du traitement secondaire, jusqu'à 90 pour cent de la matière organique contenue dans les eaux usées peuvent être retirés en exploitant des procédés biologiques naturels. Bien que de l'aménagement de nombreux sites soit conçu pour traiter biologiquement les eaux usées, ces sites dépendent tous de populations de micro-organismes saines et bien acclimatées, exigeant une gestion attentive. Le respect de nombreuses variables, telles que le taux d'oxygène dissous, la température et les niveaux de nutriments, est essentiel pour que le procédé soit efficace. Une dernière étape, appelée clarification secondaire, permet de laisser les eaux usées décanter avant de les réintroduire dans l'environnement ou de les traiter à nouveau, selon ce qui est souvent appelé le troisième traitement.