Biologische Verfahren basieren auf der Eigenschaft von Mikroorganismen, organische und z. T. auch anorganische Wasserinhaltsstoffe in den Nährstoffkreislauf einzubinden, wobei unter idealen Bedingungen Wasser, Kohlendioxid und Biomasse entstehen. Unter geeigneten Bedingungen sind aromatische, organische, chlororganische und anorganische Verbindungen abbaubar, wenn eine ausreichende Bioverfügbarkeit gewährleistet ist. Für die praktische Ausführung werden unterschiedliche Techniken verwendet. Beispielsweise setzt man suspendierte Organismen in Belebtschlammbecken ein oder man erzeugt einen biologischen Rasen in Fließbettreaktoren oder in Tropfkörperkolonnen. Nach dem Nährstoffbedürfnis unterscheidet man heterotrophe und autotrophe Mikroorganismen. Heterotrophe nutzen organische Substanzen gleichzeitig als Kohlenstoff- und Energiequelle. Sie bilden die Hauptgruppe der wichtigen Organismen für die Grundwasserreinigung. Autotrophe Mikroorganismen verwenden CO oder CO2 als Kohlenstoffquelle. Als Energiequelle dienen reduzierte anorganische Verbindungen, welche die Organismen unter Ausnutzung der freiwertenden Energie oxidieren. Bevorzugt werden Biologische ex-situ Verfahren nur dann, wenn die erforderlichen Abbaubedingungen im Aquifer nur unzureichend eingestellt werden können oder wenn die Löslichkeit der Schadstoffe ausreichend hoch ist, so dass der hydraulische Austrag und ex-situ-Abbau ökonomische Vorteile bietet. Bei der Grundwassersanierung werden zur Zeit fast ausschließlich aerobe Verfahren eingesetzt. Anaerobe Techniken haben jedoch schon Einzug in der industriellen Abwasserbehandlung gehalten. Methanotrophe Verfahren befinden sich noch im Forschungsstadium. Folgende Reinigungsendwerte sind realisierbar: Mineralöl (50 My g/l), BTXE (2 My g/l), PAK (100 My g/l), Naphthalin (5 My g/l).