О качестве воды в Москва-реке задумывались ещё в XIX веке. Например, великий князь Сергей Александрович объявил о запрете слива отработанных фабричных вод в Москву-реку. Об отмене этого распоряжения хлопотали Н. И. Прохоров (так как его Трёхгорная мануфактура оказалась под угрозой закрытия, потому что, несмотря на установку очистных сооружений, в реку всё равно попадали остатки краски и другие загрязняющие вещества), затем, по его просьбе, Н. А. Найдёнов - в итоге указ не был приведён в исполнение.
 Качество воды в реке в пределах города Москвы и ниже по течению низкое, что частично обусловлено тем, что соотношение сточных и природных вод близко к 2:1 (то есть сточных вод больше, чем природных). После очистки сточные воды не удовлетворяют требованиям по содержанию органических веществ, нефтепродуктов и тяжёлых металлов. В воде реки в размерах, превышающих нормы, содержатся соли тяжёлых металлов, нефтепродукты, пестициды, фенолы. Наиболее загрязнены участки реки около районов Нагатино, Марьино и Капотня, несколько меньше возле Щукино. В черте города Москвы выделяется три участка с разной степенью загрязнения:

    от входа в город до Крымского моста; участок традиционно является наиболее чистым
    центральная часть города в пределах Садового кольца, где качество воды по нефтепродуктам и металлам колеблется как в течение года, так и вдоль реки
    участок нижнего течения реки, где Курьяновская станция аэрации приводит к увеличению концентрации биогенных элементов (аммония, нитритов, фосфатов).

В целом на входе в город в 2008 году состояние воды характеризовалось как «умеренно-загрязнённая», в центре «загрязнённая», в районе Перервинской плотины «умеренно-загрязнённая», на выходе из города «загрязнённая».

Радиационный фон Москвы-реки не повышен, радиационные параметры иловых отложений реки на уровне аналогичных параметров для почв.

Природоохранительными мероприятиями в бассейне реки занимаются три московские организации: ГУП «Мосводосток», МГУП «Мосводоканал» и ГУП ДЗ «Гидромост». Программа природоохранных мероприятий «Мосводоканала» на 2008—2010 годы имеет бюджет около 4,5 млрд.руб в год. Так, в 2008 году объём израсходованных средств по программе составил около 4 миллиардов рублей.