泰晤士河的污染根源可追溯至工业革命时期。19世纪，随着英国工业化的快速推进，泰晤士河两岸工厂林立，大量未经处理的工业废水（含硫、碱、铅等污染物）直接排入河中。城市人口激增（1851年伦敦人口达200多万），生活污水与粪便未经处理便通过掏粪工人或雨水冲刷进入河流。1858年的“大恶臭事件”便是这一问题的集中爆发——高温下，河中积累的粪便与垃圾腐烂发酵，恶臭弥漫整个伦敦，迫使启动下水道改造工程。尽管19世纪末修建了隔离式排污系统，但当时仅将污水转移至下游，未从根本上解决污染问题，河流生态系统仍遭受严重破坏。
现有污染的主要来源
污水溢流：伦敦现存的维多利亚时代下水道系统采用“合流制”（同时输送污水与雨水），在强降雨时易超负荷运行，导致未经处理的污水直接排入泰晤士河。据统计，此类溢流事件每年发生数百次，是当前河流污染的主要来源之一。
农业径流：上游农业活动中使用的化肥、农药及动物粪便，在雨水冲刷下进入河流。这些污染物富含氮、磷等营养物质，引发水体富营养化，导致藻类大量繁殖，消耗水中氧气，威胁水生生物生存。
塑料与微塑料污染：日常生活中的一次性塑料制品（如瓶、袋）及化妆品中的微珠，通过雨水径流、垃圾倾倒等方式进入河流。据估计，每天约有9.4万件微塑料进入泰晤士河，这些微粒易被鱼类等生物误食，进而通过食物链传递至人类，危害生态与健康。
工业与制药废水：部分工业设施仍排放含重金属、化学物质的废水，而污水处理厂对药物（如抗生素、激素）的去除率有限，导致这些污染物残留于河中。此类物质会干扰水生生物的内分泌系统，增加抗生素耐药性风险。
加剧污染的其他因素
气候与城市化：伦敦的温带海洋性气候导致降水季节变化大，强降雨频发，进一步加大了污水溢流的概率。城市化进程中不透水地面（如道路、建筑）的增加，使雨水无法渗透至地下，更多地表径流携带污染物进入河流。
公众意识不足：部分市民与游客对河流污染的危害认识不足，随意丢弃垃圾（如塑料瓶、烟头）、将生活污水倒入雨水篦子的行为仍时有发生，加剧了河流的污染负荷。