Das Abwasser wird der Kläranlage über drei Sammelkanäle zugeleitet. Die Zuläufe aus den Ortsteilen Lövenich und Königsdorf erreichen die Kläranlage über eine Druckrohrleitung und müssen daher nicht mehr gehoben werden. Lediglich das aus dem Zulaufsammler Buschbell ankommende Abwasser wird auf der Kläranlage mittels Kreiselpumpen auf das zur Weiterbehandlung erforderliche Niveau 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, wo 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 Organismen, die bereits in der Kanalisation auf dem Wege zum Klärwerk für einen ersten Um- und Abbau von Schmutzstoffen sorgen. Im Belebungsbecken werden durch Zugabe von Luftsauerstoff und intensiver 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. Das Belebungsverfahren der biologischen Reinigungsstufe kann als die Umsetzung der natürlichen, in Gewässern ablaufenden Selbstreinigungsprozesse in einem technischen Maßstab 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 Überschlussschlamm aus dem System entfernt werden.

Der in der Vorklärung abgeschiedene Schlamm wird nach statischer Eindickung in den Voreindickern in die Faulbehälter gepumpt. Der in der Nachklärung abgeschiedene Überschlussschlamm wird nach maschineller Eindickung durch ein Seihband in die Faulbehälter gefördert. Dort erfolgt unter Luftabschluss und bei einer Temperatur von 36 Grad Celsius der Abbau von energiereichen organischen Substanzen. Als Abfallprodukt entsteht Faulgas (Methan und Kohlendioxid im Verhältnis von ca. 65 zu 35).

Der ausgefaulte Schlamm wird nach Abzug aus den Faulbehältern und Teilentwässerung in einem Nacheindicker in einem Dekanter maschinell entwässert. Der entwässerte Schlamm verfügt über einen hohen Nährstoffgehalt. Er wird mit einem Trockensubstanzgehalt von ca. 35 Prozent in Containern abtransportiert und landwirtschaftlich verwertet. Die Einhaltung der vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Grenzwerte (insbesondere die Schwermetallkonzentrationen entsprechend der Klärschlammverordnung) wird durch aufwendige chemische Analysen gewährleistet.

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

Neben dem aus der Kanalisation stammenden Abwasser werden auf dem Klärwerk Weiden auch Fäkalien aus der Entleerung abflussloser Gruben mitbehandelt. Diese werden mit Tankfahrzeugen angeliefert, in einem Becken zwischengespeichert und kontrolliert dem Reinigungsprozess zugeführt.

1972 begann die früher selbstständige Gemeinde Lövenich mit dem Bau der Kläranlage Weiden.

Nach Fertigstellung und Inbetriebnahme im Dezember 1974 betrieb zunächst der Erftverband die Kläranlage; gereinigt wurde damals das Abwasser von 11.000 Einwohner*innen und Einwohnergleichwerten.

1975 ging die Kläranlage im Zuge der kommunalen Neugliederung in den Zuständigkeitsbereich der Stadt Köln über.

In den Jahren 1980/81 und wurde das Klärwerk aufgrund des wachsenden Einzugsgebietes erstmalig erweitert. Das in den 80er-Jahren auftretende Robbensterben, die Algenpest in der Nordsee und der hohe Verschmutzungsgrad der Flüsse machte eine weitergehende Abwasserreinigung erforderlich.

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

2016 wurde die elektro- und maschinentechnische Ausrüstung der Kläranlage Köln-Weiden mit einem Gesamtinvestitionsvolumen von 11,3 Millionen Euro abgeschlossen.