Ett av de huvudsakliga problemen i Brunnsviken är förhöjda halter av näringsämnen och föroreningar som påverkar miljön för växter och djur. Bottenytorna är syrefattiga och ogästvänliga och halterna av koppar och zink är förhöjda i ytvattnet.
Viken uppnår inte god kemisk status, på grund av förhöjda halter av kvicksilver, kadmium, bly, antracen och tributyltenn (TBT) i sediment, av PFOS i vatten och av PFOS och PBDE i fisk.
Brunnsviken påverkas, i likhet med majoriteten av vattenförekomsterna i Stockholm, av historisk belastning och av att området kring havsviken har förtätats med högtrafikerade vägar och bebyggelse med ökad belastning av dagvatten som följd.
För att minska halten fosfor genomfördes 2019 en så kallad fosforfällning i Brunnsvikens bottenvatten. Åtgärden har bidragit till kraftigt reducerade fosforhalter. Sjön är dock fortfarande näringsrik.