L'osmosi és un fenomen comú a la natura. Per exemple, si es posa un cogombre en aigua salada, perdrà aigua i es reduirà. El procés de les molècules d'aigua del cogombre que entren a la solució d'aigua salada és l'osmosi. Si una piscina d'aigua es divideix en dues parts per una membrana per la qual només poden passar les molècules d'aigua i s'aboquen aigua pura i aigua salada a cada costat de la membrana a la mateixa alçada, després d'un període de temps, el nivell d'aigua pura disminuirà, mentre que el nivell d'aigua salada augmentarà. Aquest fenomen de molècules d'aigua que migren a través de la membrana cap a l'aigua salada s'anomena osmosi. L'augment del nivell de l'aigua salada no és interminable; arribarà a un punt d'equilibri a una certa alçada. La pressió representada per la diferència de nivells de líquid a través de la membrana en aquest punt s'anomena pressió osmòtica. La magnitud de la pressió osmòtica està directament relacionada amb la concentració de l'aigua salada.
Després que el dispositiu anterior arribi a l'equilibri, si s'aplica una certa pressió a la superfície del costat de l'aigua salada, les molècules d'aigua migraran del costat de l'aigua salada al costat de l'aigua pura. Aquest fenomen de molècules líquides que migren d'una solució diluïda a una solució concentrada sota pressió s'anomena osmosi inversa. Si s'afegeix salmorra a un extrem del dispositiu-esmentat anteriorment i s'aplica una pressió que excedeix la pressió osmòtica de la salmorra a aquest extrem, podem obtenir aigua pura a l'altre extrem. Aquest és el principi de purificació d'aigua per osmosi inversa. Hi ha dos factors clau en els sistemes d'osmosi inversa que produeixen aigua pura: una membrana selectiva, anomenada membrana semi-permeable, i una determinada pressió.
En poques paraules, la membrana semi-permeable d'osmosi inversa té nombrosos porus, la mida dels quals és comparable a la mida de les molècules d'aigua. Com que els bacteris, els virus, la majoria de contaminants orgànics i els ions hidratats són molt més grans que les molècules d'aigua, no poden passar per la membrana semi--permeable d'osmosi inversa i es separen de l'aigua que hi passa. Entre les moltes impureses de l'aigua, les sals dissoltes són les més difícils d'eliminar. Per tant, l'efecte de purificació d'aigua de l'osmosi inversa sovint està determinat per la taxa de dessalinització. La taxa de dessalinització de l'osmosi inversa depèn principalment de la selectivitat de la membrana semi-permeable d'osmosi inversa. Els elements de membrana d'osmosi inversa d'alta-selectivitat poden assolir una taxa de dessalinització de fins al 99,7%.
