Come dice la parola, si tratta di impianti in cui il trattamento è affidato alla chimica e alla fisica. Nella maggior parte dei casi sono deputati alla separazione dal refluo di sostanze presenti in forma sospesa e/o colloidale attraverso il condizionamento chimico del refluo e successiva separazione per gravità (chiari flocculazione). In questo modo si vanno a destabilizzare le sostanze presenti nel refluo che, in condizioni normali, non sarebbero facilmente separabili per gravità dal refluo. L’inquinante, una volta destabilizzato dalle proprie cariche elettriche repulsive, viene fatto agglomerare in fiocchi ben separabili per gravità all’interno di un decantatore, da un flottatore o da un altro sistema efficiente per la separazione solido – liquido.

Prima della fase di destabilizazione è spesso necessario creare le condizioni affinché alcuni inquinanti  presenti nel refluo in forma disciolta  (per esempio i metalli), vengano convertiti in forma particolata (idrossidi), così che possano essere successivamente agglomerati e separati dal refluo per mezzo di un semplice comparto di sedimentazione.

Altri tipi di trattamento possono essere la neutralizzazione o la correzione del pH in genere. Il pH condiziona molto il processo di chiariflocculazione e il suo governo, all’interno di questa tipologia di impianti, è spesso determinante.

Altre applicazioni degli impianti chimico – fisici sono costituiti dall’ossidazione chimica. In campo industriale si è spesso di fronte a reflui con bassa degradabilità biologica. Il processo di ossidazione consente quindi di convertire molecole complesse in molecole più semplici così che possano essere sintetizzate da uno stadio successivo di tipo biologico. Questi processi sono comunemente chiamati di ossidazione chimica avanzata.