Este artigo apresenta as fases de uma pesquisa-ação empreendida para avaliar e aprimorar as práticas do Programa de Vigilância em Saúde Ambiental relacionada à qualidade da água para consumo humano (Vigiagua) em três municípios do estado de Minas Gerais, Brasil. Com o emprego do método qualitativo, objetivou-se detalhar os processos desencadeados durante as fases da pesquisa, problematizando-os metodologicamente e discutindo os desafios e potencialidades decorrentes da operacionalização do método. Constatou-se que a pesquisa-ação possibilitou a apropriação e o envolvimento dos sujeitos implicados na pesquisa; a criação de espaços intersetoriais, inter e intrainstitucionais; o estabelecimento de novas relações e a ampliação do conhecimento acerca do objeto trabalhado. Esses ganhos, possivelmente, transcenderão à própria pesquisa realizada.