天然水的化学组成是极为复杂的，它包括许多来源不同的溶质。其中包括大气圈的气体和气溶胶、岩石和土壤的风化和侵蚀的产物、地表面以下发生的各种反应的产物以及由于人类活动而进入到水体中的物质。天然水中的溶质成分分为五类。
一、溶解性气体
溶解性气体主要以分子态存在。气体的种类包括O2、CO2、H2S和CH4。其中，O2和CO2的意义较大，因为它们影响着水生生物的生长发育，也影响着水中物质的溶解、化合等化学和生物化学行为。O2主要来源于空气，另外水生植物的光合作用也释放O2。天然水中O2含量一般变动于0～14毫克/升之间。CO2主要来源于有机物质的分解、水生动植物的新陈代谢作用以及大气中CO2的溶解。在河水和湖水中，CO2含量一般在20～30毫克/升以下。在深层地下水中CO2含量较高，可达15～40毫克/升。而某些矿泉水每升水中CO2含量可达数百毫克。
二、主要离子
主要离子包括Ca2＋、Mg2＋、K＋、Na＋、HCO-3、CO2-3、SO2-、Cl-。这八种离子的总量可占水中溶解固体总量的95％～99％以上。在地表淡水中，以Ca2＋和HCO-3为主；在海水中，以Na＋和Cl-为主；地下水中的优势离子因受地质条件的影响而变化较大。在天然水中，H＋在水中含量虽然很少，但它的意义很大。其数值大小可以说明水中所进行的化学过程和生物过程的情况。对多数天然水来说，pH值一般在6.8～7.5之间。水中的H＋主要是由碳酸盐离解而成，其次来源于HCl、HNO3、H2SO4以及某些盐类的溶解。
三、微量元素
主要包括重金属（锌、铜、镍、钴、铬等），稀有金属（锂、铅、铯、铍等），卤素（碘、溴、氟等），以及放射性元素（镭和氡等）。尽管这些元素在水中的浓度很低，但所起的作用很大。天然水被人类活动污染，主要是这些物质在起作用。
四、生源物质
生源物质是指氮和磷的化合物。在天然水中氮既可呈有机化合物形态，又可呈无机化合物形态。有机态的氮化合物主要是指生物体的蛋白质及其分解产物。无机态氮包括NH＋4（铵离子）、NO-2（亚硝酸根离子）和NO-3（硝酸根离子）。这些离子在微生物的作用下，可相互转化。磷的化合物包括可溶性的有机磷和无机磷。其中HPO2-4是磷存在的主要形式，其次是H2PO-4，再次是PO3-4。生源物质对水生生物的发展有着极重要的意义，如果含量较高，则会促进生物急剧繁殖，以致出现水污染问题。
五、有机物
天然水中的有机物根据其性质分为两类：一是构成各种水生生物的物质，如鱼，浮游动物，浮游植物，底栖动物，巨形植物以及各种藻类、菌类等微生物；二是生物生长发育过程中以及生物遗体分解过程中所产生的有机物质。各种不同形式的有机物主要由碳、氢、氧组成，另外还有少量的氮、磷、钾、钙、镁等。它们的共同特点是进行氧化分解或厌氧发酵。另外，水中有机物常使细菌繁生。
综上所述，天然水是含有多种物质成分的极其复杂的综合体。同时水中的诸多物质都直接影响到水质的优劣。因此，天然水的化学组成与水质评价和水处理技术都有密切的联系。