Химический состав воды Онежского озера формируется в основном маломинерализованными речными водными массами, приносящими более 90% минеральных веществ, и лишь 10% их общей массы поступает из атмосферы и со сточными водами. Поэтому водоём – один из наименее минерализованных среди крупнейших озёр мира, его средняя минерализация – 36,6 мг/л (почти вдвое меньшая, чем в Ладоге, и втрое меньше, чем в Байкале. Максимальна она на севере в Повенецком Онего – 46 мг/л, минимальна – в Петрозаводской губе (приустьевом заливе р. Шуи) – 34 мг/л. Ионный состав – гидрокарбонатно-кальциево-магниевый. Содержание главных минеральных биогенных веществ в основной водной массе крупнейших плесов низкое – фосфора 0,012 мг/л и азота 0,55 мг/л. В Петрозаводском, Кондопожском заливах и в Большой губе Повенецкого залива их концентрация выше из-за химической нагрузки промышленными и муниципальными сточными водами. Там появились признаки эвтрофирования – снижение зимой содержания растворенного кислорода до 50%, а летом в Кондопожской губе наблюдалось пересыщение поверхностного слоя до 125% с дефицитом кислорода – до 40% у дна. Во всей водной толще главных плёсов содержание кислорода круглый год около 95%.