En un artículo publicado en 1894, se propuso formalmente añadir cloro al agua para hacerla «libre de gérmenes». Otras dos autoridades respaldaron esta propuesta y la publicaron en muchos otros artículos en 1895. Los primeros intentos de aplicar la cloración del agua en una planta de tratamiento de agua se realizaron en 1893 en Hamburgo (Alemania). En 1897, la ciudad de Maidstone (Inglaterra) fue la primera en tratar todo su suministro de agua con cloro.
La cloración permanente del agua comenzó en 1905, cuando un filtro de arena lento defectuoso y un suministro de agua contaminado provocaron una grave epidemia de fiebre tifoidea en Lincoln (Inglaterra). Alexander Cruickshank Houston utilizó la cloración del agua para detener la epidemia. Su instalación alimentaba el agua tratada con una solución concentrada del llamado cloruro de cal. No se trataba simplemente de cloruro de calcio moderno, sino que contenía gas de cloro disuelto en agua de cal (hidróxido de calcio diluido) para formar hipoclorito de calcio (cal clorada). La cloración del suministro de agua ayudó a detener la epidemia y, como precaución, se continuó con la cloración hasta 1911, cuando se puso en marcha un nuevo suministro de agua.
El primer uso continuo de cloro en los Estados Unidos para la desinfección tuvo lugar en 1908 en el embalse de Boonton (en el río Rockaway), que servía de suministro para Jersey City, Nueva Jersey. La cloración se logró mediante adiciones controladas de soluciones diluidas de cloruro de cal (hipoclorito de calcio) en dosis de 0,2 a 0,35 ppm. El proceso de tratamiento fue concebido por John L. Leal, y la planta de cloración fue diseñada por George Warren Fuller. En los años siguientes, la desinfección con cloro utilizando cloruro de cal (hipoclorito de calcio) se instaló rápidamente en los sistemas de agua potable de todo el mundo.
La técnica de purificación del agua potable mediante el uso de gas de cloro licuado comprimido fue desarrollada por un oficial británico del Servicio Médico de la India, Vincent B. Nesfield, en 1903. Según su propio relato, «se me ocurrió que el gas de cloro podría ser satisfactorio… si se encontraban los medios adecuados para utilizarlo…. La siguiente cuestión importante era cómo hacer que el gas fuera portátil. Esto podría lograrse de dos maneras: Licuándolo y almacenándolo en recipientes de hierro revestidos de plomo, con un chorro con un canal capilar muy fino y provistos de un grifo o una tapa de rosca. Se abre el grifo y se introduce la botella en la cantidad de agua necesaria. El cloro burbujea y en diez o quince minutos el agua es absolutamente segura. Este método sería útil a gran escala, como para los carros de agua de servicio».
El mayor Carl Rogers Darnall, profesor de química en la Escuela de Medicina del Ejército, hizo la primera demostración práctica de esto en 1910. Este trabajo se convirtió en la base de los sistemas actuales de purificación de agua municipal. Poco después de la demostración de Darnall, el mayor William J. L. Lyster, del Departamento Médico del Ejército, utilizó una solución de hipoclorito de calcio en una bolsa de lino para tratar el agua.
Durante muchas décadas, el método de Lyster siguió siendo el estándar para las fuerzas terrestres estadounidenses en el campo y en los campamentos, implementado en la forma de la conocida bolsa Lyster (también deletreada como bolsa Lister). La «bolsa de agua, esterilizadora» de lona era un componente común de las cocinas de campaña, emitida una por cada 100 personas, de una capacidad estándar de 36 galones que colgaba de un trípode a menudo improvisado en el campo. Utilizado desde la Primera Guerra Mundial hasta la Guerra de Vietnam, ha sido sustituido por sistemas de ósmosis inversa que producen agua potable colando a presión el agua local a través de filtros de nivel microscópico: la Unidad de Purificación de Agua por Ósmosis Inversa (1980) y el Sistema Táctico de Purificación de Agua (2007) para la producción a gran escala, y la unidad Purificadora de Agua Ligera para necesidades de menor escala que incluye tecnología de ultrafiltración para producir agua potable de cualquier fuente y utiliza ciclos de retrolavado automatizados cada 15 minutos para simplificar las operaciones de limpieza.
El gas cloro se utilizó por primera vez de forma continuada para desinfectar el suministro de agua en la planta de filtrado de Belmont, en Filadelfia, Pensilvania, utilizando una máquina inventada por Charles Frederick Wallace, que la bautizó como Chlorinator. Fue fabricado por la empresa Wallace & Tiernan a partir de 1913. En 1941, la desinfección del agua potable de Estados Unidos mediante gas cloro había sustituido en gran medida el uso del cloruro de cal.