需氧生物降解作用主要是由需氧微生物，如喜氧細菌的分解代謝作用引起的。這個過程涉及到對天然和人工合成的有機污染物質的破壞與礦化作用。在適宜的溫度、酸鹼度、養分和氧氣充足的條件下，需氧微生物能夠迅速分解有機物，將其轉化為簡單的無機無害物質，如二氧化碳、水和氨等。
在有機物分解過程中，還會發生有機氮的礦化作用，釋放出氨，通過硝化細菌的作用，進一步被氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，成為植物生長的必要元素。此外，參與此階段降解的微生物為不產氣的厭氧異養微生物，它們能夠將有機酸類、醇類進一步分解為甲烷和二氧化碳。甲烷細菌利用H2還原CO2，生成CH4，同時為自身提供能量。
需氧有機污染物包括碳水化合物、蛋白質和脂肪等，它們的降解過程首先在細胞膜外發生水解，將複雜的化合物分解成較簡單的化合物，然後再透入細胞內部進一步發生分解。分解產物有兩方面的作用，一是被合成為細胞材料，二是變成能量釋放，供細菌生長繁殖。