Osmose basiert auf einem natürlichen Vorgang, durch den beispielsweise Pflanzen mit ihren Wurzelzellen Feuchtigkeit aus dem Boden ziehen. Der gleiche Vorgang findet im menschlichen Körper statt und bewirkt einen Austausch von Stoffen über die Zellmembran.

Bei der Umkehrosmose wird dieser Vorgang umgekehrt. Dabei wird mit Druck und mittels tangentialfluss Filtration das Medium durch eine halbdurchlässige (semipermeable) Membran gedrückt. Dadurch können die Moleküle des Lösungsmittels gegen ihre „natürliche“ osmotische Ausbreitungsrichtung durch die Membrane wandern. Auf der einen Seite dieser Membrane sammeln sich die gelösten Stoffe im Konzentrat. Das gefilterte, reine Medium wird als Permeat bezeichnet.

Bei der Osmose für Trinkwasser wird mit einem Arbeitsdruck von 3 bis 20 bar gearbeitet. Die osmotische Membran muss diesen Drücken standhalten können. Der osmotische Druck steigt mit zunehmendem Konzentrationsunterschied. Wird der osmotische Druck gleich dem angelegten Druck, kommt der Prozess zum Stehen. Es liegt dann ein osmotisches Gleichgewicht vor. Deswegen wird das Konzentrat stetig abgeführt und verworfen oder wieder dem Eingangswasser als Rezirkulation zugeführt.

Das Auskristallisieren der gelösten Stoffe(verblocken) in den Membranen muss verhindert werden. Dies kann durch Zugabe von Antibelagmitteln (engl. Antiscaling) oder Säuren erreicht werden. Um eine Verblockung zu verhindern, wird oftmals auch das Wasser zuerst enthärtet. Um Beschädigungen der Membran zu verhindern, werden mechanische Filter vorgeschaltet. Eine Reinigung der Membran kann dennoch erforderlich bleiben.

Mit einer Umkerosmose-Anlage werden die im Wasser gelösten Salze um 98-99%, organische Inhaltsstoffe bis zu 90% entfernt. Dadurch erhält man beinahe reines Wasser mit einem Leitwert zwischen 10-20 mikroSimens/cm.