Seit dem Jahr 2005 müssen europaweit die Grenzwerte für die Luftschadstoffe Feinstaub (PM10 und PM2,5) und seit dem Jahr 2010 für Stickstoffdioxid (NO2) eingehalten werden. Diese wurden in Köln in der Vergangenheit durch den Fahrzeugverkehr an mehreren Luftmessstellen im Stadtgebiet überschritten. Um die Luftbelastung dauerhaft zu senken und damit die Grenzwerte einhalten zu können, hat die Bezirksregierung Köln einen Luftreinhalteplan für Köln erstellt, der seit dem 31. Oktober 2006 in Kraft ist. In diesem Plan werden Maßnahmen beschrieben, die zu einer Reduzierung der Luftschadstoffe führen.
Am 1. Januar 2008 wurde die erste Umweltzone von Nordrhein-Westfalen in Köln errichtet, sie erstreckte sich über den inneren Bereich des Stadtgebietes. Als Ergebnis für die Luftreinhaltung konnte festgestellt werden, dass der Grenzwert für Feinstaub an weniger als 35 Tagen im Jahr überschritten wurde. Damit lagen die Messergebnisse für Feinstaub innerhalb des zulässigen Rahmens.
Die Einhaltung der Immissionsgrenzwerte für Stickstoffdioxid konnte in den folgenden Jahren vorerst nicht erreicht werden. In der Innenstadt und außerhalb dieses Bereichs gab es mehrere Verkehrsschwerpunkte, die den Grenzwert für Stickstoffdioxid überschritten haben. Daher wurde der Luftreinhalteplan fortgeschrieben und die Umweltzone Köln zum 1. April 2012 großräumig erweitert.
Nach einer schrittweisen Einführung dürfen seit dem 1. Juli 2014 nur noch Fahrzeuge mit grüner Plakette in die Umweltzone einfahren. Die "Grüne Umweltzone" wurde zum 1. Oktober 2019 nochmals erweitert und erfasst nun nahezu das gesamte Stadtgebiet.
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. Der Luftreinhalteplan wird regelmäßig von der Bezirksregierung Köln überarbeitet und an die aktuelle Entwicklung angepasst, die Fortschreibungen können hier eingesehen werden: