原水要成為安全食水，必須經過淨化處理，處理過程可以統稱為濾水。濾水，即是從原水中除去或降低水中懸浮物及雜質的過程，當中包括自然界之中的懸浮粒子、金屬、有機物、微生物，或其他影響健康的化學污染物。
香港現時共有20間濾水廠，由水務署營運，分布港島及離島、九龍、新界西及新界東等四大分區，配合相應的水源和水塘系統，每天可以處理470萬立方米原水，供全港市民使用。各濾水廠的落成年份不同，處理技術亦按不同年代的水質情況，和當時最佳科技應用而有所改良和提升，但濾水工序都離不開「絮凝」、「澄清」、「過濾」和「消毒」四大階段，可說是先大後細、層層遞進地去除原水雜質的淨水過程，期間會按情況添加化學物作輔助。濾水廠另一重要角色是水質監控，要掌握進廠原水和每個濾水工序的水質和效果，確保每個工序都妥善進行，讓水質符合香港食水標準（詳情見第五章《香港的食水標準》一文）。
下圖為典型食水處理過程，濾水處理工序令原水變清、潔淨、不含病原體，達至人們可以直接安全飲用的標準。
食水四大處理階段
古老的淨水方法主要藉着自然的重力作用，讓相對密度高於水的懸浮固體沉到池底，從而被去除。為了加速沉澱的過程，原水會預先加入化學物，例如明礬。它可以幫助微細的懸浮雜質凝聚成較大較重的顆粒，這個過程稱為絮凝作用。為了達到理想的絮凝效果，過程中或會加入熟石灰，將原水的酸鹼值控制在6.4至7.2之間。
澄清，是指原水與絮凝劑混合後，水中懸浮顆粒聚集變大，再被去除的過程。目前，本港典型濾水廠應用的技術共有4種，分別是：固體接觸澄清、高速澄清、多層式沉澱以及溶氣浮選澄清。
此乃較早期的設計。它是透過攪拌使雜質聚合，形成穩定且均勻分布的懸浮污泥層。當絮凝後的原水在澄清池由下向上流動時，雜質會與懸浮污泥層凝聚在一起，清水便可在澄清池頂部被收集。由於需要推動器推動絮凝體循環，這類澄清池通常設計成圓形鋼筋混凝土水池，這亦成為了沙田濾水廠的標誌。
澄清池內設有一列平排的傾斜管道，當絮凝後的原水從池底穿過斜管向上流時，水內的絮凝體會因重力沉澱在斜管底側表面，聚結至一定重量後，便會沉澱至池底，而清水則向上流動至集水槽。
澄清池分成3層，可節省空間及有利絮凝體沉澱。底層和中層分別裝有泥刮。經絮凝後的原水由最底層一直流至最上層，期間體積較大的絮凝體先在最底層沉積，隨後進入第2層，讓較輕的夥粒沉澱，如此類推。原水經過3次沉澱後，便會經最上層流去過濾池。
溶氣浮選澄清法屬嶄新的濾水技術，它捨棄了傳統以沉澱作為澄清的方法，反其道將水中的懸浮物質快速浮上水面。方法是透過將壓縮空氣加入水中直至飽和狀態，使水中產生大量微細氣泡，這些氣泡會依附於水中的懸浮物質，並將它們浮到水面，形成一層「泥毯」。澄清池的活動刮泥板會將「泥毯」清走，而澄清後的水則會經過池底的管道輸送至其他濾水設施。相比傳統澄清方法，溶氣浮選澄清法能更快清除水中雜質，並可減低化學品使用量。
在除去較大的顆粒後，便會進一步作過濾。過濾是以阻截為機制，藉以去除水中雜質。傳統來說，是藉著重力作用，利用多種具疏孔的濾料介質截留原水中的懸浮物，同時讓水分子通過。目前本港濾水廠使用的重力過濾技術有兩種，其分別在於過濾所用的介質。
原水經過過濾後，殘留的細菌、病毒失去了懸浮物的保護，從而為過濾後消毒創造了條件。加氯處理可以說是最傳統而有效的消毒方法。
香港的食水處理過程，一般在兩個階段會使用氯氣，即「前期加氯」和「後期加氯」。「前期加氯」是指向未經處理的原水或經澄清後的水加入氯氣，以氧化去除原水中的雜質，同時抑制水中藻類的滋生。至於「後期加氯」，則是向經過過濾後的水加入氯氣為食水消毒，確保食水在出廠後至使用前均不含病原體。
監察水質
由澄清、過濾到消毒，同步進行的還包括抽驗水樣本和監察相關數據，由最起始的原水，經絮凝後水、沉澱水、過濾水、食水，在每個濾水工序後，均會抽取水樣本進行不同的水質分析。
香港的濾水廠實行三層水質監測系統，第一層是「在線水質監測系統」，利用多個水質監測感應器，24小時自動監測水中的酸鹼值、混濁度、餘氯、氟含量等指標。第二層是「現場初級控制測試」，透過人手抽取水樣本，作初步水質監察，方便按需要調整化學品劑量，同時有助比對第一層在線監測的準確性。第三層是「全面的水質監測」，定期從食水處理過程中的每個濾水工序，抽取水樣本交由化驗人員進行詳細的物理、化學、細菌、生物和輻射分析，確保水質符合要求。
