To utilize as a core technology for implementing a decentralized water supply system that delivers clean water to consumers, a direct coupled and vertical water treatment plant with a capacity of 1,000 m3/day was proposed, constructed, and operated, and the plant’s operation performance was verified in terms of water quality, hydraulic efficiency, and energy efficiency. The water treatment system consists of an ultrafiltration (UF) membrane, an ozone layer, a granular activated carbon (GAC), and UV disinfection. In hydraulic evaluation, a high operating pressure was not necessary despite the plant being vertical. Economically, the optimal operating pressure was less than 1 kgf/cm2. A negative pressure was generated through the siphon phenomenon in a certain section and is economically beneficial in the operation management. The water quality was secured and the footprint was 1/3 that of the horizontal type plant. In electricity consumption evaluation, the total electricity consumption during the plant operation was 0.36 ~ 0.41 kWh/m3. All the differential pressure from the direct coupled plant configuration was loaded to the UF feed pump, and therefore the pump is the most important equipment in terms of energy saving. Moreover, the installation of the photovoltaic system, LED lighting, control system, highly efficient pumps, control equipment, and a cloud computing system in the water treatment plant greatly contributed to its energy efficiency.