טיהור מי שתייה כרוך בהוצאת מזהמים ממקורות מים העלולים לגרום נזק או כזה עשוי לשים רמות מעל לרמות המנדט הפדרלי שנקבעו עבור כימיקלים מסוימים ובאופן טבעי מינרלים. שיטות הטיהור משתנות בהתאם לאזור ומה מינרלים וכימיקלים הבולטים ביותר במקור המים, אך בדרך כלל כרוכים בשימוש בכימיקלים.
כלורמינים וכימיקלים אחרים כמו כלור הם הדרך הנפוצה ביותר לטהר מי שתייה. כלור טהור הוא גם חומר כימי נפוץ, אך יכול להיות רעיל אם מטפלים בו בדרכים שגויות או שהוא קיים ברמות גבוהות מדי. גם כלור וגם כלורמינים פועלים להרוג חיידקים וחומרים מזיקים אחרים העלולים להימצא במקורות מי השתייה.
כלורן דו חמצני הוא הפסקה נוספת מכלור שניתן להשתמש בו לטיפול וטיהור מי שתייה. עם זאת, הוא אינו משמש לעתים קרובות יותר בגלל תנודתיות הגז שהוא מייצר (וזה בקלות דליק), ומכיוון שהוא מעלה את רמות הכלוריט עברו את הרמות המומלצות על ידי ארצות הברית מֶמְשָׁלָה.
מי חמצן הוא חומר כימי נוסף אשר לעיתים קרובות מתווסף למי השתייה בכדי לסייע בטיהורו. מי חמצן משולבים בדרך כלל עם מפעיל הנקרא חומצה פורמית ועובד היטב על פרוטוזואנים ופתוגנים מזיקים באספקת המים. עם זאת, לוקח יותר זמן לטהר את המים מאשר כלור, ויכול להפוך לפיטוטוקסין (או לרעל צמחי המסוגל להרוג בני אדם במינון מספיק גבוה) אם לא משתמשים בו כראוי. זה גם משנה את רמות ה- pH של המים, מה שמצריך כימיקלים נוספים כדי להחזיר את ה- pH למצב נורמלי.