La contaminación del agua causada por la presencia excesiva de compuestos orgánicos e inorgánicos, como nitratos, fosfatos, metales pesados, antibióticos, agroquímicos, etc., es uno de los principales problemas ambientales en muchos países. Diversos enfoques para remediar las aguas residuales están disponibles, y esta revisión principalmente proporciona el estado del arte sobre la posible adopción de tratamientos basados en microalgas (fitoremediación), lo cual puede representar una buena alternativa a los métodos de purificación convencionales. Debido a su composición, las aguas residuales pueden proporcionar varios compuestos nutricionales (por ejemplo, carbono, nitrógeno y fósforo), que representan los nutrientes esenciales para el crecimiento de las microalgas. Las microalgas también están atrayendo el interés de investigadores de todo el mundo debido a sus aplicaciones multipropósito; en particular, las células de microalgas pueden representar una materia prima útil para varios sectores, entre ellos, el sector agrícola. Esta revisión propone una descripción detallada de la posible aplicación de microalgas en el proceso de remediar las aguas residuales de diferentes fuentes, resaltando sus posibles ventajas. Además, la revisión tiene como objetivo informar sobre la aplicación de las biomasas de microalgas y sus extractos en la agricultura, ya que los productos basados en microalgas pueden representar una alternativa válida a los agroquímicos tradicionales, ofreciendo soluciones sostenibles para mejorar las tecnologías agrícolas. Por lo tanto, dado que la tecnología de depuración de aguas residuales recientemente desarrollada basada en la fitoremediación puede proporcionar directamente valiosas biomasas de microalgas, puede utilizarse como un medio de inicio poderoso para producir productos agrícolas capaces de mejorar el rendimiento y la calidad de los cultivos (bioestimulantes, biofertilizantes), así como inducir resistencia a plagas y enfermedades (biopesticidas).