Die Entwicklung der Luftsituation der letzten Jahrzehnte zeigt im Kölner Raum einen deutlichen Wandel in der Bedeutung der "klassischen" Luftschadstoffe. Die Umsetzung umweltpolitischer Maßnahmen hat mittlerweile dazu geführt, dass großindustrielle Emissionen rückläufig sind. In den Emissionsbereichen Verkehr, Industrie und Hausbrand werden durch modernere Techniken und strengere Anforderungen Maßstäbe gesetzt, die zu einer Reduzierung des Schadstoffausstoßes führen sollen.
Die Emittenten der Luftschadstoffe sind in Köln insbesondere der Verkehr, die Industrie und Kleinfeuerungsanlagen. Emissionen aus natürlichen Quellen, beispielsweise durch Verwitterung, Saharastaub und Emissionen aus der Landwirtschaft spielen in Köln insgesamt nur eine untergeordnete Rolle. Besonders verkehrsexponierte Standorte weisen eine höhere Luftschadstoffbelastung durch Stickstoffdioxid (NO2) auf.
Die Luftqualität hat sich in den vergangenen 20 Jahren in Köln im Zuge der Maßnahmen aus den Luftreinhalteplänen und der Einführung der Umweltzonen verbessert. Die Jahresmittelwerte der verkehrlichen Luftschadstoffe liegen innerhalb der aktuell geltenden Grenzwerte. In den 2010er-Jahren lagen die Jahresmittelwerte von Stickstoffdioxid an mehreren Messstellen über dem Grenzwert. Seit 2020 wird der geltende Grenzwert von 40 µg/m³ bei Stickstoffdioxid an den Messstellen in Köln eingehalten. Bei den Jahresmittelwerten von Feinstaub PM10 wurde der Grenzwert von 40 µg/m³ seit 2009 durchgehend eingehalten. Es ist insgesamt in diesem Zeitraum eine abnehmende Tendenz der Luftschadstoffe an den Messstellen in Köln erkennbar.