20世纪90年代开始，随着南山区经济总量的快速增长，各类污染物排放增加，造成全区大气环境质量、水环境质量下降，为此，十多年以来，南山区大力推动污染综合治理，推动环境质量持续改善。
一是强化产业转型升级。南山区委区政府着眼未来，把改善环境质量作为提升全区竞争力、释放绿水青山福利的重要内容，以壮士断腕的决心将玻璃制造、印染、电镀线路板、印刷等一系列高污染产业全部清退，森帝木业、景丰电子、广进化工等大型污染企业全部迁出南山。
二是组织治污专项行动。连续实施“利剑行动”、“雨季行动”等系列专项活动，严厉打击非法排污行为，整治水源保护区环境违法企业，集中力量，全面排查，精准打击“小散乱污”工厂。
三是强化污染减排。连续多年大力实施污染减排工作，加大工作力度，将任务落实到各部门，强化结构减排和工程减排。近年来南山区二氧化硫、氮氧化物等排放量均控制在目标以内，实现了总量控制目标。
四是重点实施大气污染全来源治理。重点开展妈湾电厂烟气脱硝改造工作，作为全市唯一的燃煤电厂，如今妈湾电厂SO2、NO2等污染物排放水平全面优于欧盟、美国标准，全球最低；运用政府补贴形式，强化“黄标车”淘汰，率先推广国Ⅳ、国V、国Ⅵ标准车用油；强化清洁能源推广，不断降低燃煤、重油等一次性能源使用，南山热电厂实施全市首个“热电联产”项目，一举拔掉29根大烟囱，每年减少11000吨重油使用；全区公交车已实现100%纯电动化、工业锅炉100%完成清洁能源改造，加强蛇口港、赤湾港码头岸电改造，实现集装箱大型货轮停靠港口期间停止运行发动机，减少尾气排放；加强餐饮油烟管控，辖区大型餐饮企业（六个灶头以上）全部安装餐饮油烟净化设施；加大施工扬尘管控，深度践行施工扬尘“七个100%”管控，加强道路扬尘管控，重点区域每天清扫三次以上。
五是加强水环境整治。总投入约60亿元，累计完成993个小区雨污分流改造，建成西丽污水处理厂，升级改造蛇口污水处理厂，南山、蛇口、西丽三大污水处理厂处理能力大幅提升；推动大沙河、后海河等河流综合整治工作，大力整治桂庙渠、铲湾渠、双界河等黑臭水体，努力实现不黑不臭。
2000年以来，通过系统性的治理，南山区大气环境质量取得重大突破，灰霾天数从2004年的187天锐减到2019年的9天，创1991年以来新低；辖区内河流水环境逐步改善，目前，后海河、铲湾渠、桂庙渠等黑臭水体全面消除黑臭，大沙河、后海河、双界河稳步提升至Ⅲ类水质，达有监测以来最好水平。