Das Abwasser wird über zwei Sammelkanäle dem Klärwerk zugeleitet. Dort wird es mit Schneckenpumpen um vier bis sechs Meter auf das zur Weiterbehandlung erforderliche Geländeniveau gehoben.

In der Rechenanlage werden alle Grobstoffe sowie das Schwimmgut, z.B. Papier, Holz, Gemüsereste und Textilien aus dem Abwasser entfernt. Im nachfolgenden Sandfang setzt sich durch Verringerung der Fließgeschwindigkeit der mitgeführte Sand ab. An der Oberfläche aufschwemmendes Fett wird am Ablauf des Sandfanges abgeschieden. Nach der Sand- und Fettabscheidung durchfließt das Abwasser die Vorklärbecken, in denen das Abwasser fließtechnisch beruhigt wird und Sinkstoffe zur Beckensohle absinken. Diese Sinkstoffe werden über die Räumeinrichtung in den Schlammtrichter geräumt und dort über Pumpen des Primärschlammpumpwerkes abgeführt.

Das mechanisch gereinigte Abwasser wird um 3,5 Meter auf das zur Weiterbehandlung erforderliche Geländeniveau gehoben.

Die Belebungsstufe ist als Kaskadendenitrifikation mit zwei Kaskaden ausgebildet. Das erste Becken der Kaskade 1 ist unbelüftet und wird zur Denitrifikation oder wahlweise zur biologischen Phosphorelimination eingesetzt. Das zweite Becken der ersten Kaskade sowie die zweite Kaskade werden anschließend in Zonen unbelüftet (Denitrifikation) und belüftet über Druckluft (Nitrifikation) betrieben. Hierbei werden durch Mikroorganismen neben Kohlenstoff die Parameter Stickstoff und Phosphor abgebaut. Um die biologischen Teilprozesse zu verbessern, kann über eine Kohlenstofflager- und Dosierstation externes Substrat zugegeben werden.

In den Nachklärbecken trennt sich der Belebtschlamm vom Wasser. Infolge geringer Fließgeschwindigkeit setzt er sich auf der Beckensohle ab und wird, da er erneut Reinigungsarbeit leisten soll, wieder in das Belebungsbecken zurückgeführt. Da die Biomasse unaufhörlich anwächst, muss ein Teil kontinuierlich als Überschlussschlamm (Sekundärschlamm) aus dem System entfernt werden.

Während bei herkömmlichen Anlagen die Nachklärung die letzte Behandlungsstufe darstellt, wurde im Klärwerk Köln-Langel eine zusätzliche dritte Reinigungsstufe in Form einer biologischen Flockungsfiltrationsanlage realisiert. Hier erfolgt neben einer Restnitrifikation und Entfernung von Schwebstoffen die nahezu vollständige Beseitigung von Phosphatverbindungen durch Zugabe von Metallsalzen (Fällung und Flockung). Aufgrund der bereits sehr guten Ablaufqualität in der Nachklärung, befindet sich die Filteranlage derzeit im Stand-by-Betrieb.

Der in der Vorklärung und Nachklärung abgeschiedene Primär- und Sekundärschlamm wird nach der Voreindickung den Faulbehältern zugeführt. Dort erfolgt unter Luftabschluss und bei einer Temperatur von 36 Grad Celsius der Abbau von energiereichen organischen Substanzen. Bei diesem Prozess entsteht Faulgas (Methan und Kohlendioxid im Verhältnis von ungefähr 65 zu 35).

Der ausgefaulte Schlamm wird nach Abzug aus den Faulbehältern in den Nacheindickern zwischengespeichert und von dort der maschinellen Schlammentwässerung (zwei Zentrifugen) zugeführt. Er wird mit einem Trockenrückstand von ca. 27 Prozent in Container abgefüllt, abtransportiert und thermisch (Verbrennung) verwertet.

Das bei der Schlammfaulung produzierte Faulgas wird als Brennstoff zur Beheizung der Faulbehälter und der Klärwerksgebäude sowie zur Stromerzeugung in zwei Blockheizkraftwerken (Kraft-Wärme-Kopplung) eingesetzt. Der von den Blockheizkraftwerken erzeugte Strom wird ebenso wie die dabei entstehende Abwärme unmittelbar im Klärwerk genutzt.

Zur Minimierung der Geruchsemission sind die geruchsintensiven Anlagenbereiche der Kläranlage gekapselt. Die Abluft wird abgesaugt und den Abluftbehandlungsanlagen (Fotoionisationsanlagen) zugeführt.

Erst nach dem zweiten Weltkrieg, in den Jahren 1952 bis 1968 erfolgte die planmäßige Kanalisierung in den Ortsteilen des linksrheinischen Kölner Nordens als Voraussetzung für die Verbesserung der hygienischen Verhältnisse und Bebauung neuer Grundflächen.

Mit dem Ausbau der Kanalnetze entstanden zunächst die Klärwerke Pesch (1954), Worringen (1959), Esch (1968) und Langel (1968).

Im Zuge der kommunalen Neugliederung im Jahr 1975 wurde die Abwasserreinigung der einzelnen Gemeinden im Klärwerk Langel zusammengefasst. Die zunächst nur zur mechanischen Abwasserreinigung ausgebaute Kläranlage wurde 1983 erstmalig mit einer biologischen Reinigungsstufe erweitert. Das in den 80er Jahren auftretende Robbensterben, die Algenpest in der Nordsee und der hohe Verschmutzungsgrad der Flüsse machten eine weitergehende Abwasserreinigung erforderlich.

Mit der Erweiterung der biologischen Stufe und Inbetriebnahme der nachgeschalteten Filteranlage verfügt die Kläranlage Langel seit Dezember 1992 über eine weitgehende Nährstoffelimination und erfüllt damit die verschärften gesetzlichen Anforderungen an die Abwasserreinigung.

Bedingt durch die Planung weiterer Gewerbe- und Wohngebiete im Einzugsgebiet und der Verschärfung der Reinigungsanforderungen für Stickstoff wurde 2004 das Klärwerk neu bemessen. Der Ausbau bzw. die Erweiterung wurde ab 2006 in verfahrenstechnischer und hydraulischer Hinsicht für einen Prognosezustand bis zum Jahr 2017 vollzogen.

2012 wurde die elektro- und maschinentechnische Ausrüstung der Kläranlage erneuert. Das Großprojekt hatte ein Gesamtinvestitionsvolumen von 14,3 Millionen Euro.