Das Abwasser wird der Kläranlage über zwei Sammelkanäle zugefügt und mit Schneckenpumpen auf das zur Weiterbehandlung erforderliche Geländeniveau gehoben.

In der Rechenanlage werden alle Grobstoffe sowie das Schwimmgut – zum Beispiel Papier, Holz, Gemüsereste und Textilien – aus dem Abwasser entfernt.

Im nachfolgenden belüfteten Sandfang wird eine zentrifugale Strömung erzeugt, die grob- und feinkörnige Stoffe abscheidet.

Anschließend gelangt das Abwasser zu den rechteckigen Vorklärbecken, in denen die Fließgeschwindigkeit so weit verringert ist, dass sich im Gegensatz zum Sandfang auch die leichten Schwebstoffe auf dem Beckenboden absetzen können. Eventuell auftretender Schwimmschlamm, zum Beispiel Fett, kann in den Vorklärbecken ebenfalls abgeschieden werden.

Das zufließende Abwasser enthält neben teils gelösten, teils mitschwimmenden biologisch abbaubaren Stoffen eine Unmenge von Organismen, die bereits in der Kanalisation auf dem Wege zum Klärwer für einen ersten Um- und Abbau von Schmutzstoffen sorgen.

Im Belebungsbecken werden durch die Zugabe von Luftsauerstoff und der intensiven Durchmischung optimale Lebensbedingungen für die Mikroorganismen geschaffen. Hier erfolgt in verschiedenen Beckenzonen und Verfahrensschritten (zum Teil mit und ohne Sauerstoffeintrag) der weitergehende Abbau der gelösten Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphatverbindungen. Durch Zugabe von Metallsalzen in die Biologie werden Phosphatverbindungennahezu vollständig beseitigt (Fällung).

Das Belebungsverfahren der biologischen Reinigungsstufe kann als die Umsetzung der natürlichen in Gewässern ablaufenden Selbstreinigungsprozesse in ein technisches Konzept verstanden 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 aufgrund der Zellvermehrung im Belebungsbecken kontinuierlich anwächst, muss ein Teil des abgeschiedenen Belebtschlammes als Überschussschlamm aus dem System entfernt werden.

Als dritte Reinigungsstufe wurde im Klärwerk Rodenkirchen eine biologische Flockungsfiltrationsanlage errichtet. Hier ist eine Restnitrifikation und Entfernung von Schwebstoffen möglich. Zur Zeit dient diese Reinigungsstufe als Versuchsanlage zur Spurenstoffelimination.

Der ausgefaulte Schlamm wird nach Abzug aus den Faulbehältern und Teilentwässerung in einem Nacheindicker mithilfe einer Zentrifuge maschinell entwässert.

Der entwässerte Schlamm verfügt über einen hohen Nährstoffgehalt. Er wird mit einem Trockensubstanzgehalt von ca. 30 Prozent in Containern abtransportiert und thermisch verwertet. Die Einhaltung der vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Grenzwerte (insbesondere die Schwermetallkonzentrationen entsprechend der Klärschlammverordnung) wird durch aufwändige chemische Analysen überwacht.

Das bei der Schlammfaulung entstehende 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 entstehende Wärme unmittelbar im Klärwerk genutzt.

Um die Geruchsemission zu minimieren, wird aus dem gekapselten Bereich der Anlage die Abluft mit einer dezentralen Abluftbehandlung abgesaugt.

Der in der Vorklärung abgeschiedene Schlamm (Primärschlamm) wird nach statischer Eindickung in einem Voreindicker in die Faulbehälter gepumpt. Der in der Nachklärung abgeschiedene Überschussschlamm (Sekundärschlamm) wird nach maschineller Eindickung mit einem Siebband in die Faulbehälter gefördert. Dort erfolgt unter Luftabschluss und bei einer Temperatur von 39°C der Abbau energiereicher organischer Substanzen. Als Abfallprodukt entsteht Faulgas (Methan und Kohlendioxid im Verhältnis von ca. 60:40).

Bereits vor dem Zweiten Weltkrieg befanden sich im Rodenkirchener Ortskern in einigen zum Rhein abfallenden Straßen einzelne Kanäle, die insbesondere zur Ableitung des Regenwassers dienten.

Erst 1945 wurde mit dem einsetzenden Wohnungs- und Siedlungsbau mit der systematischen Planung eines Kanalnetzes begonnen.

1956 erfolgte in Verbindung mit der Erstellung größerer Sammelkanäle und des verzweigten Kanalnetzes – die Inbetriebnahme des Klärwerks Rodenkirchen – zunächst nur mit mechanischer Abwasserreinigung.

In den Jahren 1972 bis 1975 wurde die Kläranlage aufgrund des stetig wachsenden Einzugsgebietes in den Ortsteilen Weiß, Sürth, Hahnwald, Hochkirchen, Rondorf und Meschenich erstmalig erweitert und mit mechanisch-biologischer Abwasserreinigung ausgestattet.

Seit 1992 verfügt die Kläranlage Rodenkirchen mit der Erweiterung der biologischen Reinigungsstufe und Inbetriebnahme der nachgeschalteten Filteranlage über eine vollständige Nährstoffelimination. Sie erfüllt damit die verschärften gesetzlichen Anforderungen an die Abwasserreinigung.

2020 wurde das Großprojekt der Erneuerung der elektro- und maschinentechnischen Ausrüstung der Kläranlage abgechlosse.