A urbanização tem impacto significativo no meio ambiente e recursos naturais, afetando não apenas a área imediata de assentamento urbano, mas uma faixa periférica maior de terra e água. Estudo de 2008 publicado em Frontiers in Ecology and the Environment descreve o uso do solo, especificamente a urbanização, como segundo apenas às mudanças climáticas em seu papel na alteração da estrutura, função e saúde dos ecossistemas aquáticos. A urbanização cria poluição hídrica, degrada a qualidade da água e impacta as estruturas biofísicas dos ecossistemas aquáticos de várias formas.
A urbanização pode alterar as dimensões físicas de um corpo d'água e, assim, alterar o ecossistema aquático. O planejamento e gestão de recursos hídricos para áreas urbanas pode incluir práticas como construção de barragens, desvio de rios, erigir barreiras marítimas e drenagem de zonas úmidas. Tiffany Garrett, do Programa de Biologia Ambiental da Governors State University, explica que todas essas práticas afetam diretamente o equilíbrio da vida nos ecossistemas aquáticos e podem perturbar as complexas relações interdependentes entre animais, plantas e organismos. Mudanças na estrutura física podem alterar a qualidade da água, como fechando canais para fontes de água doce, e mudar a composição de superfícies subaquáticas. Essas mudanças afetam diretamente a biodiversidade e a viabilidade das espécies.
No livro Fundamentals of Urban Runoff Management, Richard Horner descreve os efeitos biológicos da urbanização incluindo mudanças na composição de sedimentos e diminuições significativas na população de organismos sensíveis. Alterações biológicas afetam a saúde de espécies de peixes e plantas, impactando os padrões alimentares das espécies no habitat aquático. Além disso, mudanças em sedimentos, cobertura do solo ou distribuição de plantas aquáticas afetam o comportamento reprodutivo e a sobrevivência dos ovos, podendo alterar o equilíbrio de espécies.
Embora a maior parte da poluição hídrica seja causada pela introdução de compostos químicos em ambientes aquáticos, a poluição resulta em mudanças biofísicas no ecossistema. A urbanização introduz poluentes nos sistemas hídricos por diversos meios: despejo, escoamento superficial, derramamentos industriais e chuva ácida. A poluição altera o pH, degrada a qualidade da água e causa danos que se propagam pela cadeia alimentar. Por exemplo, peixes herbívoros são frequentemente mais sensíveis a certos químicos, como mercúrio, comum em ecossistemas aquáticos urbanos. Ao se alimentarem de plantas, consomem traços de mercúrio, afetando sua saúde e população. Se sua população diminui, isso afeta as práticas alimentares e viabilidade de seus predadores, que buscam novas presas.
A urbanização também afeta a composição biofísica dos ecossistemas aquáticos pelo uso excessivo de recursos hídricos para fins domésticos e industriais. Ecossistemas de água doce são particularmente afetados pela demanda populacional por água potável e uso agrícola. Se o tamanho da população excede os limites dos recursos hídricos disponíveis, as demandas urbanas podem esgotar os suprimentos, destruindo ecossistemas aquáticos. Pressões populacionais crescentes afetam não apenas ecossistemas imediatos, mas também ambientes distantes, à medida que assentamentos buscam recursos para satisfazer demandas crescentes.