Pour le traitement secondaire, jusqu'à 90 % de la matière organique présente dans les eaux usées peuvent être éliminés en tirant profit des processus biologiques naturels. Bien que les usines puissent être aménagées de nombreuses façons en vue de traiter de manière biologique les eaux usées, elles reposent toutes sur une population saine et bien acclimatée de micro-organismes exigeant une gestion minutieuse. Différents facteurs tels l'oxygène dissout, la température et les taux de nutriments sont essentiels à l'efficacité du processus. Une dernière étape, connue sous le nom de clarification secondaire, permet aux eaux usées de se décanter avant d'être réintroduites dans l'environnement ou envoyées en vue d'être traitées davantage, lors de ce que l'on appelle communément le traitement tertiaire.