A poluição na bacia do São Francisco é decorrente, principalmente, dos lançamentos dos esgotos urbanos e industriais diretamente no Rio ou em seus afluentes. Noventa e cinco por cento dos municípios da Bacia não possuem sistemas de tratamento de esgoto. Além dos esgotos, os despejos de garimpo, mineradoras e indústrias contribuem para o aumento da carga de metais pesados. Outro problema grave é a utilização de agrotóxicos nas plantações, que contamina as águas do rio, os peixes e toda a vida presente no local. Esses danos têm acontecido cada vez mais em proporções maiores.

Essas constatações podem ser confirmadas por informações do projeto GEF (Global Enviroment Facility), iniciativa que reúne organizações não-governamentais de 178 países com o objetivo de chamar a atenção dos governos para os problemas ambientais globais. Segundo dados do GEF, as principais ações humanas que contribuíram e vêm contribuindo para essa degradação são:

• Lançamento de esgotos não tratados das cidades ribeirinhas diretamente no rio São Francisco e seus afluentes;
• Lançamento de efluentes industriais não tratados diretamente no rio e seus afluentes;
• Poluição resultante da disposição e tratamento inadequado do lixo;
• Poluição difusa de origem agrícola, comprometendo a qualidade das águas superficiais e subterrâneas.

Em Três Marias, a operação do reservatório pela Companhia Energética de Minas Gerais (CEMIG), em 30 de março de 2007, resultou em 40 ton. de peixes mortos das diversas espécies. Na Barragem de Pandeiros, no Norte de Minas, da mesma empresa, aconteceu caso semelhante com a mortandade de 30 ton. de peixes na abertura das comportas.

Outro afluente do São Francisco também tem sofrido agressões ambientais preocupantes. Trata-se  do Rio Verde Grande. Em relatório apresentado em maio de 2009, pela empresa Ecoplan, responsável pela elaboração do Plano de Recursos Hídricos, à Câmara Técnica Consultiva (CTC) do Comitê da Bacia Hidrográfica do rio Verde Grande, foram divulgados dados que comprovam a má qualidade da água da bacia, em função de falta de manejo adequado da agropecuária e a presença elevada de contaminação por esgoto urbano e uso excessivo de agrotóxicos.