2003年7月，同济大学向教育部正式提出组建长江水环境教育部重点实验室的申请；2003 年11月教育部批复，同意组建长江水环境教育部重点实验室。 2004年6月18日，实验室建设项目可行性方案通过了教育部科技司组织专家论证，实验室进入建设阶段。经过两年的筹建，实验室于2006年7月28日召开了验收会议，并通过了教育部基础司组织的以中国科学院南京土壤所赵其国院士为组长的专家组的验收，至此，实验室正式成立。
本实验室的建立形成了跨学科（同济大学环境、海洋等）、跨学校（高校协作组）、跨地域（校内、崇明、宜宾、万州）的建设与发展模式。打破了长期以来同济大学环境学科方面以工程为主的格局，从战略上实现了基础研究与工程研究的结合。当前实验室围绕以下4个研究方向进行建设：流域污染防治与水质安全、流域生态过程与生态安全、流域地质演化与环境变迁、流域的水资源利用与管理。目标是建设由一个中心实验室（同济大学）、三个野外研究基地（崇明岛、
重庆万州、
宜宾李庄）和一艘装备先进、设施完善的科学实验船组成的综合科研平台。
作为长江流域
环境科学与工程研究的开放式平台，实验室主要针对长江流域高速社会经济发展和重大水资源开发与利用工程产生的突出水环境问题，紧紧围绕长江水质安全和生态环境演变等重大科学问题，以长江上游、三峡库区、下游河口区域为重点，通过多学科相互交叉和渗透，开展污染防治与水质安全、生态过程与生态安全、地质演变与环境变迁和水资源利用与管理等方面的应用基础研究和技术创新，将本实验室建设成为长江水环境科学研究与学术交流的中心、创新人才培养的基地，为国家保障长江水环境安全、保护和利用长江水资源提供决策依据，为长江流域经济与社会可持续发展提供科技与人才支撑。
实验室主任由同济大学尹大强教授担任；副主任由李怀正教授、黄文锐教授、李建华教授担任。实验室成立独立的学术委员会。建立研究团队（组）首席专家制度。目前，实验室有办公室主任1名，专职管理人员1名，仪器设备技术管理2名。实验室成立专门的野外研究基地工作组，负责统一的基地管理。实验室的日常事务由办公室负责。
从长江沉积物的源-汇过程出发，系统认识长江地质环境演变趋势与变化特征，探索人类活动对环境演变的影响。以长江下游地区为对象，研究环境污染物特别是持久性污染物在流域水生态系统中分布特征、迁移转化和生物效应，揭示环境污染对
水环境质量的影响及其生态风险。在水
生态系统结构组成和物质循环水平上，研究生态系统对长江水环境演变的响应。
研究流域污染控制与生态修复的原理与技术，重点围绕长江下游地区太湖流域、巢湖流域等，研究污染物去除的新原理和新技术，研发流域村镇污染和城市面源污染控制技术，研究河流、湖泊生态退化机理，发展水生态修复方法与技术。通过技术系统集成，开展流域污染的应用实践。
重点围绕流域饮用水安全，研究流域饮用水资源的优化配置，甄别影响饮用水安全的特征污染物和高风险污染物，研究特征污染物、微量有毒物质去除新方法，研发流域饮用水处理技术、安全输配技术，建立流域饮用水安全保障的技术体系并开展实际应用。
开展流域水资源循环利用研究，建立水资源优化利用模型；研究流域水环境管理模式、跨区域协同管理机制及其政策法规。重点围绕流域突发性污染事故管理，研发风险预警技术、风险评估技术和快速响应技术，建立流域水环境风险管理技术体系。