L'acqua in natura non è mai pura, bensì contiene al suo interno molte sostanze disciolte (grazie alla sua capacità di solvente), e particelle in sospensione, la maggior parte delle quali microscopiche; le sostanze contenute sostanzialmente si suddividono in base alla loro dimensione:

1. Materiali sospesi: > 0,1 μm argilla, silice, calcare, idrossido ferrico, alghe, grassi, microrganismi, detriti vegetali;
2. Materiali dispersi (colloidali): 0,1 ÷ 0,001 µm (0,1 µm ÷ 1 nm) silice colloidale, acidi umici;
3. Sostanze disciolte: < 10 Å (< 1 nm):

• gas (O₂, N₂, CO2, NH₃, H₂S, SO₂, ossidi di azoto)
• anioni (HCO₃-)
• cationi (Ca₂+, Mg₂+)

Grazie alle tecniche della chimica analitica è possibile individuare le sostanze presenti nell'acqua.

1. prelevamento (in genere si prelevano 2 campioni rappresentativi);
2. osservazione: sensazioni organolettiche primarie;
3. misura del pH;
4. calcolo della torbidità: metodo fotometrico;
5. calcolo del residuo fisso: misurazione del peso a diverse temperature;
6. determinazione della conducibilità elettrica;
7. determinazione anioni e cationi (tra i quali ioni Ca2+, Mg2+ e HCO3-) e calcolo della durezza: metodi complessometrici e/o altro;
8. determinazione del TOC: concentrazione del carbonio organico totale;
9. determinazione dei composti azotati: concentrazione di ammoniaca, nitriti, nitrati.

Tutte le acque naturali contengono un certo numero di microrganismi, sia autotrofi sia eterotrofi, rappresentati da batteri, alghe, funghi e protozoi, che costituiscono la microflora autoctona delle acque, dove svolgono una funzione fondamentale in tutti i cicli biogeochimici e sono i principali responsabili dei fenomeni di autodepurazione.
Anche le acque sotterranee ospitano una microflora specifica, rappresentata soprattutto da organismi oligotrofi, a causa della bassa concentrazione di nutrienti.

L'inquinamento dell'acqua di origine antropica, soprattutto quello derivante dallo scarico nelle acque naturali di reflui organici di origine civile, può introdurre nei corpi idrici microrganismi non tipici dell'ecosistema acquatico, che costituiscono una microflora d'inquinamento. Tra questi vi possono essere anche batteri patogeni dei generi Salmonella, Shigella, Vibrio, Clostridium, Pseudomonas, Campylobacter, Mycobacterium, Legionella, ecc, oltre a protozoi, elminti e virus di origine enterica.
La presenza di questi patogeni può essere pericolosa soprattutto per quelle acque che sono utilizzate dall'uomo per scopi potabili o ricreativi. L'analisi microbiologica di un'acqua, tuttavia, più che alla ricerca dei patogeni, tende a rilevare microrganismi che sono definiti indicatori d'inquinamento fecale, che albergano nell'intestino umano e di animali e vengono quindi eliminati con le feci.
Questi indicatori hanno la caratteristica di avere concentrazioni, nei reflui organici, notevolmente superiori a quelle di eventuali patogeni e, inoltre, richiedono tecniche di rilevamento molto più semplici, per cui si possono facilmente inserire nei protocolli analitici di routine per la caratterizzazione microbiologica delle acque. I principali organismi indicatori ricercati nelle acque sono:

• Coliformi a 37 °C;
• Escherichia coli;
• Enterococchi;
• Clostridium perfringens.

A seconda della loro provenienza, le acque naturali si classificano in:

• acque meteoriche (pioggia, neve, grandine, rugiada, brina);
• acque sotterranee (falde profonde o freatiche);
• acque superficiali (mari, fiumi, laghi, sorgenti).

L'acqua compie un ciclo continuo (il cosiddetto ciclo dell'acqua o ciclo idrologico), consistente nel continuo scambio di acqua nell'idrosfera tra l'atmosfera, il suolo, le acque di superficie, le acque profonde e gli esseri viventi. Grazie all'evaporazione delle acque superficiali per effetto dell'irraggiamento solare e alla traspirazione delle piante, si formano le nubi negli strati più freddi dell'atmosfera. Queste vengono trasportate dai venti ed al variare di temperatura e/o pressione, ritornano al suolo sotto forma di acque meteoriche, arricchendo ulteriormente le acque superficiali e in parte (filtrando nel terreno) quelle sotterranee. Poiché moltissime sostanze hanno una certa solubilità in acqua, in natura praticamente non esistono acque pure.