实验室依托于同济大学，涵盖环境科学与工程、海洋科学、化学、水利等学科。2003 年11月，教育部批复同意组建长江水环境教育部重点实验室。2004年6月，实验室通过教育部科技司组织的专家论证，开始建设。2006年7月，实验室通过教育部验收，并正式成立。2009年、2015年和2020年，通过了教育部的评估。
实验室以“共抓大保护”推动长江经济带一体化发展的国家战略需求引领，紧紧围绕长江流域水环境重大科学技术问题和国际学科前沿，立足长江下游和长三角地区，面向全流域，以“污染防治-水环境质量改善-水安全保障”为主线，构建“基础研究-技术研发-应用示范”的知识创新链，在凝聚国内外优秀人才、培养创新人才、国际合作与交流和学科发展等方面，实现示范和引领作用，为长江大保护国家战略和国际流域水环境学术研究作出重要贡献。实验室充分发挥同济大学多学科交叉的优势与特点，锚定实验室定位和目标，围绕水环境演化和生态响应、水资源利用与水质安全、污染防治与生态修复、流域水环境管理四个研究方向，在凝聚队伍、科技创新、国内外合作和人才培养等方面形成特色和优势，具有重要的国内外影响力。在全国第四轮学科评估中，环境科学与工程一级学科位居A+，在全国参加评估的159个环境科学与工程学科中名列前2%。2017年入选教育部“双一流”学科建设和上海市高峰学科建设计划。2019年给排水科学与工程、环境工程专业入选国家级一流本科专业建设点。学科进入国际环境学科前列ESI全球前3‰。
近五年来，实验室共承担各类科研项目621项，其中国家级项目177项，省部级102项。评估期内合同总经费55814.2万元，到账总经费35096.5万元，其中，纵向课题经费到账27215.3万元，占到账总经费77%。25项重点任务合同经费22080.3万元，到账经费15509.7万元，占总到账经费44%。实验室固定人员人均到账科研经费531.7万元。
实验室共发表学术论文1033篇，其中在Nature Communications、Nature Sustainability、Water Res.、Environ. Sci. Technol等国际重要学术影响的SCI源期刊上发表论文504篇（IF>5.0 122篇）、EI论文385篇；评估期内发表论文的国内外同行他引6308次（2015-2019年），单篇他引最高183次，其中7篇入选ESI高被引论文。获得国家科技进步二等奖1项，省部级奖励21项（其中一等奖7项、二等奖10项、三等奖4项）。出版专著29部、教材10部。实验室共申请发明专利456项、授权232项。专利转让10项，到账转让费209万元。参与编制国家、行业/地方标准10项，获国家版权局著作权登记19项。
