自制柠檬水在常温下可存放4-6小时，冷藏条件下可保存1-2天。存放时间受容器清洁度、环境温度、是否添加糖分、柠檬新鲜度以及密封性等因素影响。
自制柠檬水在制作过程中容易受到微生物污染，尤其在室温环境中细菌繁殖速度较快。使用煮沸后冷却的凉开水或纯净水制作能减少初始菌落数，玻璃或食品级塑料密封容器比开放式容器更利于保鲜。添加蜂蜜或糖分的柠檬水因高渗透压环境可略微延长保存时间，但糖分也可能加速氧化反应导致风味变化。新鲜柠檬汁含有天然抑菌成分，但榨汁后维生素C会逐渐氧化失效，冷藏可减缓该过程。若发现液体浑浊、气味异常或出现絮状物，应立即停止饮用。
柠檬水长时间存放后即使未变质，营养价值也会显著降低。冷藏时建议分装小份避免反复开盖，使用前可观察是否有气泡产生或酸味异常增强。制作时双手和器具需充分清洁，去籽减少苦味物质渗出。夏季高温环境下建议缩短存放时间，饮用前可加冰块提升口感但会稀释风味。隔夜柠檬水即使冷藏也可能滋生少量细菌，肠胃敏感者应避免饮用。
为最大限度保留营养和风味，建议现制现饮柠檬水。若需保存，优先选择避光密封冷藏，24小时内饮用完毕。日常可搭配薄荷叶、黄瓜片等增加风味多样性，但添加物可能进一步缩短保质期。胃肠功能较弱的人群、孕妇及儿童建议饮用新鲜制作的柠檬水，避免潜在微生物风险。饮用前可观察液体澄清度，轻微摇晃无沉淀为较新鲜状态。长期饮用柠檬水者应注意牙齿保护，避免酸性物质侵蚀牙釉质。