Lượng nước thải hầu hết chưa được xử lý thải ra từ các nhà máy, xí nghiệp và các làng nghề nằm dọc hai bên bờ sông Cầu đang khiến cho dòng nước sông cầu bị ô nhiễm. Cùng với việc sử dụng hoá chất và thuốc bảo vệ thực vật vào canh tác nông nghiệp và khai thác cát sỏi với khối lượng lớn đã làm tăng thêm ô nhiễm, sạt lở và biến đổi dòng chảy của dòng sông này.
Nước thải của nhiều doanh nghiệp được thải trực tiếp ra sông Cầu trong khi đa số các mỏ khai thác ở lưu vực sông đều không có hệ thống xử lý nước thải. Các cơ sở luyện kim, cán thép, chế tạo thiết bị máy móc tập trung ở Thái Nguyên với tổng lượng nước thải hơn 16.000 m3/ngày cũng là một trong những nguyên nhân khiến nguồn nước sông Cầu bị ô nhiễm. Riêng KCN gang thép Thái Nguyên mỗi năm có hơn 1,3 triệu m3 nước thải được dẫn đổ ra sông Cầu. Điều đáng nói là nước thải phát sinh trong quá trình sản xuất gang thép có chứa nhiều chất ô nhiễm độc hại như dầu mỡ, phenol và xianua... Tuy nhiên đến nay, KCN đã đầu tư xây dựng hệ thống xử lý nước thải nhằm hạn chế mức độ ô nhiễm.
KCN lớn thứ hai của Thái Nguyên: KCN Sông Công với các nhà máy sản xuất cơ khí, chế tạo máy động lực mặc dù đã hoạt động từ năm 2001 nhưng đến nay vẫn chưa có hệ thống xử lý nước thải tập trung. Hầu hết các nhà máy trong KCN cũng chưa có hệ thống xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn. Trước khi đầu tư một hệ thống xử lý nước thải nhằm giảm thiểu ô nhiễm, Nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ cũng đã kịp đổ ra sông Cầu nhiều chất ô nhiễm vô cơ, COD, xơ sợi khó lắng, nước có màu đen, độ kiềm cao và bốc mùi… Để bảo vệ môi trường, chính quyền các cấp của Thái Nguyên đã có nhiều văn bản yêu cầu các cơ sở gây ô nhiễm sông Cầu phải khắc phục ô nhiễm môi trường, nếu không khắc phục được sẽ đình chỉ hoạt động sản xuất của các doanh nghiệp này.
Hiện nay, sản xuất nông nghiệp vẫn là một ngành quan trọng được quan tâm phát triển tại các tỉnh thuộc lưu vực sông Cầu. Tuy nhiên, điều đáng nói là để tăng năng suất cây trồng, người dân sử dụng thuốc bảo vệ thực vật và phân bón hoá học ngày càng nhiều. Người dân phun thuốc trừ sâu từ 3 - 5 lần trong một vụ lúa hoặc chè. Lượng thuốc bảo vệ thực vật được sử dụng tại các tỉnh trong lưu vực rất lớn, trong đó thuốc trừ sâu chiếm tỷ lệ tới 68,3%. Theo báo cáo hiện trạng môi trường Thái Nguyên, một vụ lúa, ngô hoặc chè trung bình người nông dân dùng thuốc bảo vệ thực vật từ 3-3,5 kg/ha đất nông nghiệp. Đặc biệt là cây chè, người dân phun thuốc diệt sâu từ 3 đến 5 lần và phun tổng hợp rất nhiều loại thuốc khác nhau để đề phòng sâu bệnh kháng thuốc. Lượng thuốc bảo vệ thực vật dùng trong 1 vụ lúa lên tới hàng trăm tấn và một phần trong số đó được thẩm thấu vào nước sông Cầu.
Hiện tại tất cả các vùng sản xuất nông nghiệp trong lưu vực sông Cầu đều sử dụng rộng rãi các loại phân hoá học khoảng 500.000 tấn/năm, lượng dư thừa đổ vào lưu vực khoảng 33%. Tại các vùng thâm canh rau, tỷ lệ lượng thuốc bảo vệ thực vật và phân hoá học được sử dụng cao gấp 3 - 5 lần các vùng trồng lúa. Hiện nay, tỉnh Bắc Ninh đang khuyến khích và dần dần sử dụng các loại thuốc bảo vệ thực vật có nguồn gốc sinh học, thực hiện canh tác, phòng trừ dịch bệnh tổng hợp. Mặc dù hoạt động chăn nuôi gia súc, gia cầm của các tỉnh thuộc lưu vực sông Cầu tăng đều qua các năm nhưng các biện pháp xử lý chất thải rắn, nước thải từ các chuồng trại chăn nuôi còn rất hạn chế. Do đó, hầu hết các chất thải này, đặc biệt là nước thải đều được đổ xuống các nguồn nước mặt gây ô nhiễm nghiêm trọng cho sông Cầu.
