河流受到污染後，水質自然地逐漸恢復潔淨狀態的現象。城市污水排放河流後河水發生的變化過程最能反映河流的自淨過程。河流的自淨作用主要包括稀釋作用、沉澱作用、微生物衰減過程及耗氧-複氧作用。
稀釋作用 廢水進入河流時，河水和廢水相混合，經過一段流程兩者混為一體。混合體中雖然摻雜廢水帶來的各種污染物，但其濃度一般大大低於原廢水。這種作用稱為稀釋，河水流量和廢水流量之比稱稀釋比。稀釋比比很大時，污染河水的水質和原河水相近，好像沒有受到污染。稀釋是河流自凈也是其他水體自凈的一個主要作用。河流稀釋廢水的流程或河水與廢水完全混合的時間，決定於排水系統出水口的做法、稀釋比的大小和河流的水文條件。當出水口伸入河流航道且為多口構造、稀釋比較小、河流流速高而河床窄時，混合流程或混合時間就較短。
沉淀作用 廢水帶來的懸浮物在水流平緩的河段沉降河底。如果沉降在出水口附近，常年累月地積累往往形成不潔的淤泥岸。如果廢水是污水廠出流，懸浮物是活性污泥，則往往為原生動物和其他水生動物所吞食。總之，廢水帶來的大部分懸浮物比較快地從河水中消失。
微生物衰減 微生物是一類特殊的懸浮物。廢水中的微生物主要來自糞便，也有來自土壤的。進入河水後，病原體由於失去適宜的環境難於繁殖，相反在不利因素的作用下逐漸死亡。土壤細菌以及大腸菌群能夠繁殖，而且開始時由於營養充分數目急劇上升；隨著營養物(有機物)的逐漸減少和原生動物的繁殖和吞食，數目就逐漸減少到天然水平。
廢水帶來的有機物大多是天然有機物和它們的降解產物，是腐生微生物的良好養料。進入河水後，在微生物的作用下有機物可經歷完全的降解，轉化為穩定的無機物CO2、H2O、NH3、NH4+、PO43-、SO42-等。在硝化細菌的作用下，氨進一步轉化為硝酸根。
耗氧－復氧作用 在有機物的無機化過程中微生物同時耗用水中的溶解氧，使它低於飽和量。於是河流在水面上溶解大氣中的氧氣(稱復氧)，補充溶解氧。耗氧速率決定於有機物濃度(以生化需氧量為參數)和水溫等因素，復氧速率決定於氧飽和不足量(氧飽和濃度和實際氧濃度之差)和水文條件。溶解氧是容易測定的，因此常用溶解氧濃度變化規律反映河段對有機污染的自凈過程。在未污染前，河水中的氧一般是飽和的。污染之後，先是河水的耗氧速率大於復氧速率，溶解氧不斷下降。隨著有機物的減少，耗氧速率逐漸下降；而隨著氧飽和不足量的增大，復氧速率逐漸上升。當兩個速率相等時，溶解氧到達最低值。隨後，復氧速率大於耗氧速率，溶解氧不斷回升，最後又出現飽和狀態，污染河段完成自凈過程。
如果以河流流程作為橫坐標，溶解氧飽和率作為縱坐標，在坐標紙上標繪曲線，將得一下垂形曲線，常稱氧垂曲線，最低點稱臨界點（見圖）。常用的氧垂曲線的方程式如下
式中
Dt為河水受污流行
t日後河水與廢水混合體中的氧飽和不足量（毫克/升）；
D為受污點河水與廢水混合水體的氧飽和不足量，對潔凈河流
D值為零；
L為受污點河水廢水混合體中的碳素總生化需氧量（毫克/升）；
K
1為耗氧速率常數（日
-1）；
K
2為復氧速率常數(日
-1)，
K
2值愈大反映河流自凈能力愈強。臨界點附近的河段的溶解氧低於4毫克/升左右時，魚類生存將受影響。如果出現無氧狀況，河段將呈現黑臭狀態，魚蝦絕跡。