Membranoksygenator består av en tynn membran som skiller blod og gass, men som tillater diffusjon av gasser over seg, og minner slik sett mer om prosessen slik den foregår i lungene. Membranen har et stort areal, 2-4 kvm, som blodet fordeler seg som en tynn film over, inne i en rekke kapillærrør eller skviset mellom plater eller utenpå kapillærrør. Det brukes to typer membraner. Ekte membran oxygenatorer benytter silikongummi, som ikke har noen porer. Gassutvekslingen er totalt avhengig av diffusjon av gass over membranen. Diffusjon er avhengig av membranens permeabilitet, diffusjonsdistanse for gassen i blodet, og drivtrykket for den enkelte gass over membranen. Brukes primært til ECMO, Extra Corporeal Membrane Oxygenation, og er dyrt å produsere, men gir stabile oksygen og karbondiksidverdier over tid, og kan brukes i ukesperspektiv. Mikroporøse membranoksygentorer består av polypropylen som er en heterogen og vannavstøtende plast. Den strekkes slik at det dannes små porer på 0,03 til 0,07 mm. På grunn av de vannavstøtende egenskapene og at porene er så små, vil det ikke skje lekkasje over membranen. Gassutvekslingen skjer gjennom mikroporene, og trenger på grunn av direkte Blod-Gass grensesnitt ikke så stort areal for å være effektiv. Flere løsninger eksisterer, noen er trekkspillbrettede flate paneler, noen er kapillærrør. De kapillærrørkonfigurerte der blodet strømmer inne i røret er mer utsatt for å gå tett. Effektiviteten er sammenlignbar mellom de ulike konfigurasjonene.