由于化工废水往往成分复杂、可生化性差，而且有毒有害成分、无机盐、酸碱物质等对微生物有毒害和抑制作用，因此处理有一定的难度。但由于生物处理在技术经济上的明显优势，对于有机型的化工废水，目前仍以生物法处理为主，为了提高处理效率，往往辅助物理、化学方法来对废水进行预处理或深度处理。
化工废水所含污染物的种类和浓度随生产工艺和产品的不同差别非常大，因此处理工艺的选择也必须根据个案进行具体的分析比较。化工废水处理中常用的物理处理工艺包括筛分、过滤重力沉淀、气浮、膜分离等，用于去除废水中的固态污染物；常用的化学处理工艺包括酸碱中和、化学混凝、化学沉淀、氧化还原、微电解等，主要用于去除无机类污染物；常用的生物处理工艺包括水解酸化、UASB等厌氧法，以及普通活性污泥、接触氧化、SBR、曝气生物滤池等好氧法，主要用于净化有机污染物。
由于化工废水水质的复杂性，通常单一工艺不能达到处理要求，必须采用多种工艺的组合，例如对于高浓度有机型化工废水，可以采用厌氧生物处理和好氧生物处理的组合。