Do quá trình đô thị hóa mạnh mẽ từ năm 1990 đến nay, phần lớn các sông hồ Hà Nội đều rơi vào tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng. Theo PGS-TS Trần Đức Hạ – Phó viện trưởng Viện Nghiên cứu Cấp thoát nước và Môi trường thuộc Hội Cấp thoát nước Việt Nam, lượng nước thải chưa qua xử lý xả thẳng ra môi trường quá lớn. Chỉ tính riêng trong khu vực nội đô, mỗi ngày lượng nước thải xả thẳng ra hệ thống sông hồ vào khoảng 650.000 m3/ngày (2015). Sông Tô Lịch, trục tiêu thoát nước thải chính của thành phố, hàng ngày phải tiếp nhận khoảng 250.000 m³ nước thải xả thẳng xuống dòng sông mà không hề qua xử lý. Nó bị ô nhiễm nặng nề: nước sông càng lúc càng cạn, màu nước càng ngày càng đen và bốc mùi hôi thối nặng. Với chiều dài gần 20 km chảy qua địa bàn thủ đô, nhiều khúc của sông Nhuệ nước đen kịt, đặc quánh, mùi hôi thối bốc lên nồng nặc và gần như không còn xuất hiện sự sống dưới lòng sông. Tương tự, sông Kim Ngưu nhận khoảng 125.000 m³ nước thải sinh hoạt mỗi ngày. Sông Lừ và sông Sét trung bình mỗi ngày cũng đổ vào sông Kim Ngưu khoảng 110.000 m³. Lượng nước thải sinh hoạt và công nghiệp này đều có hàm lượng hóa chất độc hại cao. Các sông mương nội và ngoại thành, ngoài vai trò tiêu thoát nước còn phải nhận thêm một phần rác thải của người dân và chất thải công nghiệp. Những làng nghề thủ công cũng góp phần vào gây nên tình trạng ô nhiễm này.