L’osmosi è un fenomeno comune in natura. Ad esempio, se un cetriolo viene messo in acqua salata, perderà acqua e si restringerà. Il processo con cui le molecole d'acqua del cetriolo entrano nella soluzione di acqua salata è l'osmosi. Se una piscina d'acqua è divisa in due parti da una membrana attraverso la quale possono passare solo le molecole d'acqua, e si versano acqua pura e acqua salata su ciascun lato della membrana alla stessa altezza, dopo un certo periodo di tempo, il livello dell'acqua pura diminuirà, mentre il livello dell'acqua salata aumenterà. Questo fenomeno della migrazione delle molecole d'acqua attraverso la membrana nell'acqua salata è chiamato osmosi. L’innalzamento del livello dell’acqua salata non è infinito; raggiungerà un punto di equilibrio ad una certa altezza. La pressione rappresentata dalla differenza dei livelli del liquido attraverso la membrana a questo punto è chiamata pressione osmotica. L'entità della pressione osmotica è direttamente correlata alla concentrazione dell'acqua salata.
Dopo che il dispositivo di cui sopra raggiunge l'equilibrio, se viene applicata una certa pressione alla superficie del lato acqua salata, le molecole d'acqua migreranno dal lato acqua salata al lato acqua pura. Questo fenomeno della migrazione delle molecole liquide da una soluzione diluita a una soluzione concentrata sotto pressione è chiamato osmosi inversa. Se si aggiunge la salamoia a un'estremità del dispositivo sopra-menzionato e si applica una pressione superiore alla pressione osmotica della salamoia a quell'estremità, possiamo ottenere acqua pura all'altra estremità. Questo è il principio della purificazione dell'acqua ad osmosi inversa. Ci sono due fattori chiave nei sistemi ad osmosi inversa che producono acqua pura: una membrana selettiva, chiamata membrana semi-permeabile, e una certa pressione.
In poche parole, la membrana semipermeabile dell'osmosi inversa ha numerosi pori, la cui dimensione è paragonabile a quella delle molecole d'acqua. Poiché i batteri, i virus, la maggior parte degli inquinanti organici e gli ioni idrati sono molto più grandi delle molecole d'acqua, non possono passare attraverso la membrana semipermeabile ad osmosi inversa e vengono separati dall'acqua che la attraversa. Tra le tante impurità presenti nell'acqua, i sali disciolti sono quelli più difficili da rimuovere. Pertanto, l'effetto di purificazione dell'acqua dell'osmosi inversa è spesso determinato dal tasso di desalinizzazione. Il tasso di desalinizzazione dell'osmosi inversa dipende principalmente dalla selettività della membrana semipermeabile dell'osmosi inversa. Gli elementi della membrana ad osmosi inversa ad alta-selettività possono raggiungere un tasso di desalinizzazione fino al 99,7%.
