Com 1,1 mil quilômetros, o Paraíba do Sul tem importância para os brasileiros desde o século 18, quando serviu de caminho natural para a busca de ouro. No século 19, a economia préindustrial no trecho paulista e em parte do fluminense teve seu auge, com o ciclo do café. O rio nasce no Parque Nacional da Serra da Bocaina, a 1,8 mil metros de altitude, no município de Areias (SP), com o nome de Paraitinga. A ele se junta o Rio Paraibuna, formando o que passa a ser chamado de Paraíba do Sul. Seu vale, entre as serras do Mar e Mantiqueira, se estende pelo interior do Rio de Janeiro e demarca parte da divisa do estado com Minas Gerais. O rio deságua em delta na localidade de Atafona, no município fluminense de São João da Barra.
No trecho paulista, conhecido como Médio Vale do Paraíba, uma das regiões mais industrializadas e urbanizadas de São Paulo, o rio recebe efluentes químicos e despejos de esgotos. Com 35 municípios, a região teve crescimento econômico e urbano vertiginoso nas últimas cinco décadas. Em 1950, a população urbana da região totalizava 202.980 habitantes (45% da população total, de 449.722 pessoas). Pelo Censo de 2000, a área urbana conta com 1.631.994 habitantes (91,4% da população total, de 1.765.778). O crescimento populacional acompanhou o boom industrial da região: de 751 indústrias em 1960, o parque fabril passou a cerca de quatro mil na década de 90. O trecho fluminense entre a barragem da Represa do Funil, na divisa com São Paulo, e a Elevatória de Santa Cecília, em Barra do Piraí, tem no abastecimento público o principal uso das águas, incluída a captação destinada ao consumo humano na Região Metropolitana do Rio de Janeiro, que concentra 10 milhões dos 12,8 milhões de habitantes do estado. Com o maior parque industrial da bacia no Rio de Janeiro, esta parte do Paraíba tem seus pontos mais críticos a jusante dos municípios de Barra Mansa e Volta Redonda, onde está a Companhia Siderúrgica Nacional (CSN). A poluição industrial se manifesta pela concentração de fenóis, cianetos e metais pesados. Os índices de poluição têm sido reduzidos, nos últimos anos, devido a controles adotados pela CSN e por outras indústrias. Entre a Elevatória de Santa Cecília e o município de Carmo, o Paraíba do Sul tem baixa vazão durante grande parte do ano. Este fenômeno exige políticas de controle ambiental para proteger o rio do lançamento de cargas poluentes. As fontes de poluição em grande parte do trecho estão quase restritas aos despejos de esgotos domésticos de pequenas cidades, como Barra do Piraí, Vassouras e Paraíba do Sul. Mas, após a confluência com os rios Piabanha e Paraibuna, em Três Rios, no Paraíba o aumento acentuado da vazão é acompanhado pelo da poluição, pois o rio recebe todos os despejos domésticos e industriais da cidade e das vizinhas Petrópolis e Teresópolis. Ao longo do trecho entre Carmo e a foz, em Atafona, no município de São João da Barra, predominam as atividades agropecuárias, que também são dominantes ao redor da maioria dos principais afluentes desta parte – os rios Pomba e Muriaé, que fazem parte de sub-bacias em Minas Gerais, e o Dois Rios. Por este, procedente de seu afluente Grande, o Paraíba recebe toda a carga de poluição industrial e doméstica do município de Nova Friburgo. Embora seja grande a poluição orgânica neste trecho, a qualidade de suas águas é considerada satisfatória.