Im Wasserlabor werden vor allem Oberflächen- und Grundwasserproben aus den Messnetzen der LUBW analysiert. Es wird ein breites Spektrum von Parametern untersucht. Die Palette umfasst Basisparameter wie Nährstoffe (Nitrat, Ammonium , Phosphat), eine Reihe von Metallen und Elementen (z. B. Bor, Aluminium, Chrom, Kupfer, Nickel, Blei, usw. ), diverse Summenparameter, Lösungsmittel (z. B. 1,4-Dioxan) , Pflanzenschutzmittel (z. B. Mecoprop), Herbizide (z. B. Glyphosat) oder Arzneimittel (z. B. Diclofenac). Im Bereich der anorganischen Analytik werden ca. 50 Einzelparameter, im Bereich der organischen Analytik ca. 350 Einzelparameter bestimmt. Die gemessenen Konzentrationen reichen bis in den unteren Spurenbereich. Es werden moderne Verfahren und überwiegend automatisierte Analysenmethoden eingesetzt. Neben Wasserproben werden auch Schwebstoffe und Sedimente untersucht.

Ein Schwerpunkt im Labor ist die tägliche Untersuchung von Proben der Rheinmessstation Karlsruhe, das sogenannte Rhein-Screening, mit dem Verunreinigungen und Gefahrensituationen frühzeitig erkannt werden. Die Proben werden mit verschiedenen Messverfahren (Gaschromatographie und Flüssigchromatographie) auf eine Reihe von bekannten Substanzen (Target-Screening) als auch auf unbekannte Substanzen (Non-Target-Screening) untersucht.