Il processo di osmosi si basa sulla capacità dell'acqua di equalizzare il livello delle impurità nelle soluzioni separate da una membrana. L'osmosi inversa dà esattamente il risultato opposto. L'elemento chiave del sistema di osmosi inversa è una membrana speciale, i cui pori sono così piccoli che non lasciano passare nulla che superi le dimensioni di una molecola d'acqua. In questo caso la membrana non serve per equalizzare la densità del liquido, ma per raccogliere da un lato acqua pura e dall'altro una soluzione il più possibile satura di impurità. L'acqua purificata entra nel rubinetto o nel serbatoio di stoccaggio e il concentrato contenente i contaminanti filtrati viene trasferito allo scarico. In questo modo si ottiene il massimo grado di purificazione fino a 0,0001 micron, cosa impossibile per i sistemi di ultra- e nano-filtrazione a flusso convenzionali. Per garantire il processo di purificazione, oltre alla membrana stessa a film sottile, il filtro a membrana ha diversi strati in più. Questi strati garantiscono il movimento dei fluidi nella direzione desiderata e l'autopulizia della membrana. Tutti gli strati sono arrotolati per fornire la massima area di contatto con l'acqua. Il materiale degli strati determina alcune caratteristiche dell'elemento: velocità di filtrazione, grado di purificazione e sensibilità a determinati tipi di contaminanti. Il materiale della membrana è tipicamente un composito a film sottile di poliammide (TFC). Il film di cellulosa (CTA) è usato molto meno spesso ora, perchè è inferiore nelle sue caratteristiche principali.