La contaminación ambiental con metales pesados aparece cuando la extracción y el uso de estos se intensifica. El desarrollo urbano también ha contribuido a la entrada de metales pesados en el medio, pues para urbanizar es necesario transformar el suelo y la roca madre que hay debajo. Además, las aguas residuales sin tratar, el lixiviado de vertederos o el abandono de residuos en el medio ambiente también son una fuente de contaminación de metales pesados.

La actividad industrial y minera es responsable de la liberación al medio de plomo, mercurio, cadmio, arsénico y cromo, perjudiciales tanto para la salud humana como para el resto de seres vivos.

Gran parte del plomo se libera del reciclado de baterías y de restos industriales como soldaduras, metales, recubrimientos de cables, etc. El plomo contamina el agua por medio de sales solubles en agua que sobre todo se generan en la industria de la pintura y pirotecnia, en la fabricación de alfarerías con esmaltado, en técnicas de fototermografía y de coloración de vidrios, en la producción de químicos como el tetraetilo de plomo (antidetonante en gasolinas) y en la industria minera entre otros.

El mercurio tiene la característica especial de que en estado ambiental se encuentra en estado líquido. Sin embargo, este no es tan tóxico como sus vapores y derivados. Algunos compuestos de mercurio proceden de las fábricas de cloruro de polivinilo (PVC) y otros compuestos clorados, pinturas y pesticidas fungicidas, detonadores de explosivos y plásticos, por actividades mineras como en la extracción de cinabrio (mineral de sulfuro de mercurio), de oro y plata y por las refinerías de petróleo.

Una pequeña parte de la contaminación de las aguas con mercurio procede de la actividad biológica. Algunas bacterias anaerobias que viven en los fondos de lagos son capaces de transformar el mercurio y otros derivados inorgánicos en compuestos orgánicos de mercurio por procesos de metilación (adición de grupos -CH3).

Otro metal especialmente tóxico es el cadmio, el cual tiende a formar compuestos acuosos. Los compuestos de cadmio más usados en la industria son los complejos de haluros, el cianuro y la amina. El cadmio contamina el agua sobre todo por los vertidos de aguas residuales sin tratar de industrias como las del acabado de metales, la electrónica, las aleaciones de hierro y la producción de hierro y zinc, la fabricación de pigmentos (pinturas y colorantes), de baterías (cadmio, níquel), de estabilizadores plásticos, de fungicidas, de tratamientos como la electrodeposición y su uso en reactores nucleares.

Algunos derivados del cadmio se emplean como catalizadores y sus sales de ácidos orgánicos (laurato, estearato o el benzoato de cadmio) se usan como estabilizadores de luz y temperatura en plásticos. Estos estabilizadores pueden contaminar los alimentos si se almacenan en plásticos que los contienen.

Los cianuros, procedentes de la industria galvánica, de las refinerías y de la limpieza de metales se vierten a las aguas residuales, contaminando los ecosistemas acuáticos. Otros metales como el arsénico, el cobre y el cromo son muy utilizados como conservantes de la madera y las cenizas del carbón contienen trazas de muchos metales pesados.

En general los metales pesados, excepto el arsénico, el molibdeno y el selenio, son poco solubles en aguas alcalinas (pH > 7) y pueden unirse a partículas orgánicas. De este modo, los metales pueden aparecer en concentraciones tóxicas muy elevadas en aguas que aparentemente son puras, prístinas y claras, como las aguas oligotróficas de un río en la montaña. Las concentraciones de metales pesados pueden ser especialmente altas en aguas blandas que fluyen por zonas con minerales de sulfuro o residuos de minería.