三级处理又称高级处理、深度处理。它是以废水的回收和再利用为目的，进一步去除二级处理未能脱除的污染物质，包括残留的微细颗粒物、溶解性有机物、无机盐类（如氮、磷、重金属等）、色素、细菌、病毒等。
三级处理根据出水的不同回用要求而采用不同的方法，如混凝沉淀法、砂滤法、生物除磷脱氮法、活性炭吸附法、离子交换法和电渗析、反渗透等。
三级处理后出水水质进一步提高，BOD5一般可降至5mg/L以下，可除去大部分氮和磷。三级处理出水具有更高的回用价值，如回用作电厂锅炉补给水的原水、循环冷却水等，且可以不受限制地回用于农业和安全排入水体，进入给水管网等。
三级处理投资和运行费用明显较高，即使在发达国家应用也不是很多，是一种对处理水质要求高和成本高的处理工艺。
