Im Zuge der Industrialisierung Bielefelds und des damit verbundenen Bevölkerungswachstums nahm ein altbekanntes Problem eine neue Dimension an: Die Entsorgung der Abwässer. Hausabwässer und Fäkalien versickerten nicht nur im Boden der Stadt, sondern wurden seit dem Mittelalter auch in die Lutter eingeleitet.
Im 19. Jahrhundert hatte sich nicht nur die Abwassermenge vergrößert, sondern durch die Einleitung von Industrieabwässern war auch die Zusammensetzung verändert worden. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurde das Wasser der „kolossal verunreinigten“ Lutter zu einer trüben, schlammigen und übelriechenden Brühe, die zum Haushaltsgebrauch nicht geeignet war.
Im 19. Jahrhundert wuchs die Stadt Bielefeld weit über ihren mittelalterlichen Stadtkern hinaus. Um 1800 lebten ungefähr 5.000, um 1900 bereits 60.000 Menschen in der Stadt. Der Bevölkerungsanstieg und die Industrialisierung stellten die Stadt vor große Probleme bei der Abwasserentsorgung, da ihre sanitären Einrichtungen noch sehr rückständig waren.
Nicht nur Regenwasser, auch Haushaltsabwässer und Fäkalien wurden in die Lutter geleitet und verschmutzten sie in hohem Maße. Außerdem entsorgten ansässige Färbereien, Brauereien und Spinnereien ihre mit Chemikalien belasteten Abwässer in die Lutter. Es gab zwar seit 1854 lokale Wasserschutzvorschriften, doch diese konnten die Verschmutzung nicht verhindern. Jahrzehntelang wurde um das Gleichgewicht zwischen Gewässerschutz und industrieller Nutzung der Lutter gerungen. Vertreter der Behörden waren der Ansicht, dass durch eine zu strenge Anwendung der Gesetze „die blühende Leinen-Industrie brach gelegt“ werden würde.
In den 1870er Jahren wurden erstmals amtliche Wasseruntersuchungen durchgeführt. Sie zeigten, wie sich die Wasserqualität der Lutter verschlechtert hatte. Der Bach war trübe geworden und verströmte einen unangenehmen Geruch. Zum Trinken war sein Wasser zwar nie geeignet, aber bald konnte man es auch nicht mehr zum Waschen, Kochen oder für industrielle Zwecke benutzen. Vor allem die Bewohner Heepens beschwerten sich bei der Stadt Bielefeld und bei der Regierung in Minden über den Zustand der Lutter. Sie fürchteten die Verbreitung ansteckender Krankheiten, wie Cholera, Typhus und Ruhr. Letztendlich spielten diese Krankheiten in Bielefeld aber keine Rolle Nur in Einzelfällen führte der „Genuß“ des Wassers zu ernsten Erkrankungen. Die Beschwerden über den unangenehmen Geruch der Lutter waren dagegen ernster zu nehmen: „Der Geruch, welcher aus dem Schlamm aufsteigt, ist so widerlich, daß [der Anlieger] Meier zu Hartlage, um seiner Familie den Aufenthalt im Garten zu ermöglichen, dichtes Fichtengebüsch angepflanzt hat, welches er durch Schneiden kurz hält, dessen kräftiger Geruch den des Schlammes zum Teil überdeckt.“
Bei Hochwasser wurde das verschmutzte Wasser auf die Grundstücke der Anwohner gespült und entwickelte sich zu einem konkreten Gesundheitsrisiko. Fundamente wurden durchfeuchtet und viele Trinkwasserbrunnen in der Nähe der Lutter verseucht, weil sie nicht wasserdicht gebaut waren. Vor allem in den Mühlenteichen offenbarte sich, wie stark die Lutter verschmutzt war. In ihnen konnten weder Fische noch Frösche leben. Aus dem Wasser stiegen Blasen auf und „an einzelnen Stellen wurde die Blasenbildung massig wie bei kochendem Wasser, darauf kam dann ein schwarzgrüner stinkender Fladen von unten herauf, der auf der trüben Flut träge fortschwamm.“ Um 1890 wurde der Stadt verboten, ihre Abwässer ungeklärt in die Lutter einfließen zu lassen. Auf Anordnung der preußischen Oberbehörde wurden eine Kanalisation mit nachgeschalteten Rieselfeldern als Kläranlage errichtet. Dadurch sollten organische Stoffe aus dem Abwasser entfernt werden, das anschließend – entsprechend gereinigt – wieder der Lutter zugeführt werden konnte. Chemikalien verblieben aber im Wasser: Manche erhofften sich von ihnen eine reinigende Wirkung. Erste Bauabschnitte der Kläranlage wurden um 1900 fertiggestellt, doch die Probleme – vor allem auch mit Industrieabwässern – bestanden weiterhin. Die starke Verunreinigung führte in den 1920er Jahren zu Schadensersatzforderungen von Herforder Anliegern der Aa (Die Aa entsteht aus dem Zusammenfluss der Lutter und des Johannisbaches). Statt für „Prunkbauten und teure Gartenanlagen Millionen“ auszugeben, so die Herforder Kritik, sollte Bielefeld lieber für „die Wiederherstellung unseres alten Rechtes auf ein klares, reines Flusswasser“ sorgen. Nach dem Zweiten Weltkrieg sorgten technische Innovationen und der Ausbau der Infrastruktur für eine langsame Verbesserung der Wasserqualität. Dennoch bleibt der Gewässerschutz eine wichtige Aufgabe, um der Namensbedeutung der Lutter gerecht zu werden: Das mittelhochdeutsche Wort lutter bedeutet nämlich „hell“, „rein“, und „sauber“.