生物处理是利用微生物的吸收、分解、氧化能力消除污染物，达到环境保护的作用。它的优点是处理量大，投资及运行成本低，自然净化，不用化学药剂，不造成二次污染。大多数油田外排废水采用生化处理为主，物化处理为辅的工艺流程。
好氧生物处理：河南油田的双河联合站以好氧生物处理处理为核心工艺，去除效果较好。出水COD为90mg/L，硫化物为0.7mg/L达标率为95%，达到国家污水综合排放二级标准。
厌氧-好氧联合工艺：竺建荣等利用水解酸化-好氧法对油田废水进行研究，结果表明物化预处理后的废水进水COD为190～220mg/L、水解酸化段及好氧段停留时间均是10h，出水COD为65～75mg/L达到国家一级水质排放标准要求。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
化学-好氧联合工艺：2001年1月，胜利油田的孤岛油田用微生物处理原油的工程正式投入运行。该工程污水经隔油池、收油池除去浮上油及悬浮物，然后污水进入气浮池加入浮选剂，部分分散油和乳化油通过气浮除去，经曝气池进行接触氧化后出水COD<150mg/L，含油量<10mg/L，达到国家污水综合排放二级标准。刘慧卿等利用絮凝-生物接触氧化法处理含油废水COD去除率达68%。
自然生物处理：污水的自然生物处理主要是氧化塘法和人工湿地处理技术。氧化塘处理技术有投资小，维护费用低，运行稳定等优点，适合场地开阔，环境适宜，污染负荷小的油田废水处理。人工湿地是人工建造的用于净化废水的土壤-植物-微生物生态系统。胜利油田外排污水利用当地特有的芦苇塘资源进行氧化塘工艺，污染物在氧化塘中经自然物过程得到去除，处理后达标排放。辽河油田进行了潜流湿地系统处理采油废水中试研究，结果表明潜流湿地系统对稠油废水中污染物有很好的去除效果，COD、BOD、TN及石油类污染物去除率分别为83.16%，90.66%，87.92%，91.83%，出水达到排放标准。