封口的柠檬水在冰箱冷藏条件下一般能存放1-2天，常温环境下建议4小时内饮用完毕。实际保存时间受柠檬新鲜度、容器清洁度、储存温度、是否添加糖分以及是否接触唾液等因素影响。
冰箱4℃冷藏可延缓细菌繁殖，未开封且使用无菌容器制作的柠檬水可保存24-48小时。柠檬中的维生素C会随时间氧化减少，冷藏12小时后含量下降明显。若使用金属容器盛装，酸性环境可能导致金属离子溶出，建议选用玻璃或食品级塑料容器。
室温超过20℃时，微生物繁殖速度加快，未添加防腐剂的柠檬水应在4小时内饮用完毕。夏季高温环境下，开封后的柠檬水若暴露在空气中，2小时后即可能出现絮状物或酸败气味。自制柠檬水比商业灭菌产品更易变质。
使用表皮有损伤的柠檬制作时，携带的霉菌孢子会加速腐败。带果肉悬浮的柠檬水比纯柠檬汁更易变质，果肉中的酶类会促进成分分解。添加蜂蜜或糖分的柠檬水因渗透压升高，保质期可延长至冷藏3天左右。
直接对瓶口饮用会导致唾液中的淀粉酶回流，24小时内菌落数可能超标百倍。使用不洁刀具切柠檬或未经沸水消毒的容器，初始微生物负荷将显著缩短保存期。出现浑浊、起泡或异味时应立即丢弃。
采用真空密封罐可延长保质期至冷藏72小时，每次倒出饮用后需立即重新密封。添加少量食盐能抑制部分细菌生长，但会改变口感。建议现制现饮，如需保存应分装成小份，避免反复开盖接触空气。
饮用隔夜柠檬水需观察是否出现异常气味或口感变化，肠胃敏感者应避免饮用存放超过12小时的产品。自制柠檬水时可加入少许维生素C粉帮助抗氧化，但无法完全阻止微生物繁殖。商业生产的灭菌柠檬饮料保质期较长，开封后仍需参照上述原则尽快饮用。长期饮用变质柠檬水可能导致胃肠炎，出现腹痛腹泻症状应及时就医。
