活性污泥净化污水主要通过三个阶段来完成。

第一阶段，污水主要通过活性污泥的吸附作用而得到净化。吸附作用进行得十分迅速。一般在30min内完成，BOD₅的去除率可高达70%，同时还具有部分氧化的作用，但吸附作用为主，活性污泥具有极大的比表面积，内源呼吸阶段的活性污泥处于“饥饿”状态，其活性和吸附能力最强。

第二阶段，也称氧化阶段，主要是继续分解氧化前阶段被吸附和吸收的有机物，同时继续吸附一些残余的溶解物质，这个阶段进行得相当缓慢，实际上，曝气池的大部分容积都用在进行有机物的氧化和微生物细胞物质的合成，氧化作用在污泥同有机物开始接触时进行得最快，随着有机物逐渐地消耗掉，氧化速率逐渐降低。

第三阶段，是泥水分离阶段，在这一阶段中，活性污泥在二沉池中进行沉淀分离，微生物的合成代谢和分解代谢都能去除污水中有机污染物，但产物不同，分解代谢的产物是CO₂和H₂O，可直接消除污染，而合成代谢的产物是新生的微生物细胞，只有将其从混合液中去除才能实现污水的安全净化处理，必须使混合物经过沉淀处理将活性污泥与净化水进行分离，同时将与合成代谢生成的新微生物细胞等量的原有老化微生物的剩余污泥的方式排出活性污泥处理系统，才能达到彻底净化污水的目的。