地表水由于和空气接触，空气会溶于水中。空气中含有氮气和氧气，所以水中也存在溶解的氮和氧，由于氮气是不活泼气体，不参与化学反应 ，所以一般都不予重视，仅注意水中的溶解氧。空气中还含有二氧化碳，二氧化碳也会溶解在水中。另外，由于地壳运动、水生生物作用等原因，放出的二氧化碳也会增加水中二氧化碳含量。排入地表水的各种生活污水、工业废水及农田排水，还会给地表水带入氨、硫化氢等气体。
        地下水由于和空气隔绝，水中溶解氧量很少。但由于地下水长期在地层中，地壳活动产生的二氧化碳会大量溶解在地下水中，地下水的二氧化碳含量通常很高。另外，地下水若流经硫铁矿原，水中还会带有硫化氢等气体。
        水中溶解的气体量，可以根据亨利定律来判断。按照亨利定律，水中溶解气体量与水面该气体分压力成正比。当水温升高时，水面水蒸气分压力上升，其他气体分压力下降，水中各种气体溶解量也下降；当水面处于真空状态时，水面各种气体分压力下降，水中溶解气体量也降低；当水达到所处压力下的沸点时，水沸腾，水面充满水蒸气，其他气体分压力为零，水中溶解气体也为零。
        水与空气接触，在大气压力下，水中最大的溶解氧量为14.5mg/L （0℃时），也即为此条件下的饱和溶解量。实际天然水中的溶解氧量达不到上述饱和量，一般仅为5~10mg/L。水中溶解氧来自大气，但水中生物的生物活动会消耗溶解氧，当水中溶解氧量为零时，水中细菌及水生生物会大量死亡，使水体变黑发臭。所以当天然水中进入大量有机污染物时，为防止细菌大量繁殖而造成缺氧、水体变黑变臭情况的发生，应向水中充氧，此时由于水体中细菌繁殖，消耗了进入的有机污染物，使水恢复到原来的清洁状态，这就是溶解氧在水体自净中的作用。水中溶解氧的另一个来源是水生生物的光合作用，它能将二氧化碳转变为有机质而放出氧。
        一般地表水中二氧化碳含量约几mg/L至几十mg/L，地下水中二氧化碳含量达到几十mg/L至几百mg/L，远远大于与空气相平衡时由空气溶入的二氧化碳，这主要是因为水生生物活动及地壳变化带入造成的。比如水生生物吸收氧气，氧化体内有机质后，产生二氧化碳排除体外，进入水中。
         天然水中氨主要来自工业和生活污水中的污染物。当废水中含氮有机物（如蛋白质、尿素等）进入天然水体后，会在微生物作用下进行生物氧化，将有机质氧化为二氧化碳、水和氨（NH3及NH4+），这里的氨就是通常所称的氨氮，氨氮再进行一步氧化可以氧化为NO2-或NO3-，称为亚硝酸氮和硝酸氮。
          从水中总氮、有机氮、氨氮、硝酸氮的多少和相对含量比例，可以判断水的污染程度及水污染时间的长短。
          天然水中总氮（不包括溶解的氮气）的含量一般在零到及mg/L。
          地下水中有时含有硫化氢，当达0.5~1mg/L时，就可感觉到明显的臭鸡蛋味，它多在特殊地质环境中生成，比如油田地质是由于油中含硫化合物进入进入地下水后变为硫化氢。地下水中硫化氢含量一般在零到几mg/L。地表水中很少有硫化氢存在，偶尔出现硫化氢多是因为工业污水和生活污水排放的含硫化合物在缺氧条件下进行厌氧分解被还原而产生硫化氢。
          天然水中有时还会含有少量甲烷，它也是各种有机污染物的厌氧分解产物。