底質汚染（ていしつおせん）とは底質が汚染されていることをいう。底質とは海域、港湾、河川、水路、湖沼などの水底の土砂やヘドロ等のことである。狭義には底質の環境基準はダイオキシン類のみ（150pg-TEQ/g）が定められておりこの基準を超過するもの（詳しくは底質の環境基準を参照）のこと。 なお、PCBや水銀には底質暫定除去基準が定められており、対策は一旦行われた水域もある。
環境白書に底質についての言及が現れたのは昭和46年版公害白書であり、それまでは典型公害として、大気汚染、水質汚濁、騒音、振動、地盤の沈下、悪臭の6種を公害の対象として捕らえていたが、冷却用水等による温排水問題やヘドロ問題に対処すれる為に「水底の底質の悪化」を公害の対象として認識するようになった。ここで言う「ヘドロ問題」とは東京湾、大阪湾、田子の浦港、洞海湾、伊予三島港のヘドロである。問題にしているのはCOD（生物の大量死）や硫化物量（悪臭）が主であるが、東京湾と洞海湾ではカドミウム、クロム、水銀、鉛なども底質中に検出されているが、この頃は生物の大量死や藻類の異常繁茂が問題視されていた為、底質の多量の有機物に注目が集まっていた。
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1972年（昭和47年）に初めて底質のPCB汚染の実態調査が全国1,445地点において実施されたその結果工場近接水域の4箇所については水質で0.011ppm以上底質で500ppm以上のPCBを検出し「PCB取扱い工場周辺の公共用水域の底質がかなり汚染されていることが明らかになった。」と環境白書では総括している。