Эксплуатация очистных сооружений Москвы началась еще в 70-е годы ХХ века. Сегодня в хозяйственном ведении ГУП «Мосводосток» более 170 очистных сооружений различного типа. Если сначала это были простейшие сооружения механической очистки, то помимо них сегодня используется и физико-химическая очистка с дополнительным фильтрованием и сорбцией.

Это позволяет соответствовать высоким нормативным требованиям при сбросе очищенных вод в водные городские объекты, причем российские стандарты здесь значительно превышают общемировые. В результате каждое из очистных сооружений поверхностного стока представляет собой, по сути, небольшую водопроводную очистную станцию. Отсюда и высокая стоимость строительства, и достаточно дорогая эксплуатация очистных сооружений.

Согласно действующим нормативным документам, очистке подвергается только наиболее загрязненная часть поверхностного стока — это первые «порции» дождя, смывающие с поверхности городских территорий основной объем осевших загрязнений. Остальная вода считается условно чистой и сбрасывается в водные объекты без очистки. При очищении всего объема стока размеры и стоимость строительства и эксплуатации очистных сооружений поверхностного стока увеличились бы в десятки раз.

Сейчас в зависимости от ряда исходных условий эксплуатируются различные виды сооружений с соответствующей современной технологией — как проточного, так и напорного типа.

Поначалу применялись только сооружения проточного типа: это были песколовки-нефтеловушки, используемые для очистки поверхностного стока от крупных фракций песка, плавучего мусора и крупных нефтепродуктов с небольших площадей водосбора.

С 80-х годов прошлого века на больших водосборных бассейнах для очистки от взвешенных веществ, плавающего мусора и нефтепродуктов начали эксплуатироваться пруды-отстойники и их новые модификации с фильтрованием и сорбцией, обезвоживанием осадка. Используются и простейшие отстойники в виде «щитовых заграждений» в акватории Москва-реки и Яузы. На малых водосборных бассейнах используются подземные сооружения камерного типа, габионные сооружения (в основном для МКАД). Сейчас новые модернизированные сооружения «камерного типа» проектируются и строятся на территории Новой Москвы. С 90-х годов ХХ века на средних водосборных бассейнах используются тонкослойные очистные сооружения и их новые модификации.