О качестве воды задумывались ещё в XIX веке. Так, великий князь Сергей Александрович объявил о запрете слива отработанных фабричных вод в Москву-реку. Об отмене этого распоряжения хлопотали Н. И. Прохоров (его Трёхгорная мануфактура оказалась под угрозой закрытия, так как в реку, несмотря на установку очистных сооружений, всё равно попадали остатки краски и другие загрязняющие вещества), затем, по его просьбе, Н. А. Найдёнов — в итоге указ не был приведён в исполнение.
Вода в реке в пределах города Москвы и ниже по течению — плохого качества, что обусловлено преобладанием объёма сточных вод над природными в два раза. 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 Щукина. В черте города Москвы выделяется три участка с разной степенью загрязнения[13]:
от входа в город до Крымского моста; участок традиционно является наиболее чистымцентральная часть города в пределах Садового кольца, где качество воды по нефтепродуктам и металлам колеблется как в течение года, так и вдоль рекиучасток нижнего течения реки, где Курьяновская станция аэрации приводит к увеличению концентрации биогенных элементов (аммония, нитритов, фосфатов).
В 2008 году на входе в город вода по качеству характеризовалась как «умеренно-загрязнённая», в центре — «загрязнённая», в районе Перервинской плотины — «умеренно-загрязнённая», на выходе из города — «загрязнённая»[13].
Радиационный фон Москвы-реки не повышен, радиационные параметры иловых отложений реки на уровне аналогичных параметров для почв[14].
Природоохранительными мероприятиями в бассейне реки занимаются три московские организации: ГУП «Мосводосток», МГУП «Мосводоканал» и ГУП ДЗ «Гидромост»[15]. Программа природоохранных мероприятий «Мосводоканала» на 2008—2010 годы имеет бюджет около 4,5 млрд.руб в год[16]. Так, в 2008 году объём израсходованных средств по программе составил около 4 миллиардов рублей[17].
Во время аномально жаркого лета 2010 года в Москве-реке были замечены медузы[18]. Это не первое наблюдение, учёным пресноводные медузы в российских реках и водохранилищах известны давно[19][20].
В 2017 году на значительном протяжении Москвы-реки появились раки, что сигнализирует об улучшении качества воды. Характер загрязнения реки изменился: до 90-х годов XX века её отравляли промышленные сбросы, в современный период основным источником загрязнения стали ливневые стоки с проезжей части. Поскольку нефть легче воды, она всплывает на поверхность и не вредит придонным обитателям. Следом за появлением членистоногих, увеличились популяции бобров и норки — например, в районе Строгино. В водах реки стали чаще встречаться жерех, сом, налим, щука, лещ и окунь[21].