Etter at industrialiseringen startet langs Akerselva i 1840-årene, steg byens folketall kraftig på siste halvdel av 1800-tallet. Alt i 1860-årene var Akerselva blitt så forurenset av utslipp fra bedriftene og kloakk fra husholdningene at byens vanninntak måtte flyttes opp til Maridalsvannet. På 1930-tallet bygde man avskjærende kloakker i elvas nedre del, men la ledningene så langt fra elva at store mengder kloakk fortsatt gikk rett i Akerselva. Arbeidet fortsatte etter krigen, og ble intensivert fra slutten av 1960-tallet. En viktig milepæl var den avskjærende kloakken til Bekkelaget renseanlegg. Den stod ferdig i 1971 og samlet opp kloakk langs Akerselva fra Maridalsoset til Sandaker.
Akerselva var da sterkt forurenset og hadde et høyt innhold av både organisk materiale og næringssalter. Oljesøl og lekkasjer fra nedgravde oljetanker, og ukontrollerte utslipp av kjemikalier og vaskemidler, hadde store konsekvenser for livet i elva. Situasjonen bedret seg etter hvert som industribedriftene langs elva ble nedlagt og de gjenværende bedriftene fikk installert renseanlegg.
Mengden av fosfor- og nitrogenutslipp til fjorden fra Akerselva ble kraftig redusert på første halvdel av 1980-tallet. Vannkvaliteten bedret seg betraktelig, laksen vendte tilbake, og det ble igjen mulig å bade i øvre del av elva.
I 1987 var alle direkte utslipp til byens elver og bekker eliminert. Den viktigste årsaken til forurensning av Akerselva var nå overløp og lekkasjer fra kommunens kloakkledninger. Ca. 20 % av kloakkvannet forsvant på veien mot renseanleggene, og ved kraftig nedbør gikk store mengder kloakk fortsatt rett ut i elva sammen med overvannet. Situasjonen bedret seg noe etter saneringen av avløpssystemet på første halvdel av 1990-tallet.
Antall akuttutslipp gikk også ned, men i 2011 fikk vi et alvorlig klorutslipp fra Oset vannbehandlingsanlegg. Et krafttak ble tatt med Midgardsormen, som stod ferdig i 2014 til en kostnad av 1,3 milliarder kr. Dette avløpsanlegget skal redusere akuttutslippene fra avløpsnettet med 90 %, og dekker strekningen langs Akerselva fra Kuba til fjorden, samt Bjørvika-området.
På strekningen fra Maridalsoset til Sannerbrua finnes det fortsatt 91 kommunale og mange private overvannsutløp til Akerselva. 21 av de kommunale overvannsledningene kan føre kloakk ut i elva. Derfor bør en ikke bade i elva rett etter kraftige regnskyll. Ellers er badevannskvaliteten god i øvre del av elva. I nedre del av elva er vannkvaliteten fortsatt i dårligste laget.