水道事業において、臭気物質、トリハロメタン前駆物質、色度、アンモニア性窒素、陰イオン界面活性剤等、通常の浄水処理方法では十分に対応できない物質を処理することをいう。
通常の浄水処理は、凝集、沈でん、ろ過、消毒の過程を経るが、高度浄水処理の場合は、これに、オゾン処理、活性炭処理、生物処理の過程を単独または組み合わせて加える。また、膜ろ過技術によっても同様の処理が可能となる。高度浄水処理を経ることによって、かび臭やカルキ臭などの異臭味を除去し、トリハロメタンの発生を抑えることができ、「おいしい水道水」の供給が実現できるとされる。現在、多数の水道事業において導入されている。
ただし、良質の水道水を供給するための基本は、公共用水域の水質保全であることに変わりはない。