Atvirkštinio osmoso procesas naudoja pusiau pralaidią membraną, kad atskirtų vandenį nuo teršalų. Pusiau pralaidi membrana leidžia patekti vandeniui, tačiau sąvokos (pvz., Na+, Ca2+, Cl-) arba didesnės molekulės (pvz., gliukozė, karbamidas, bakterijos). Difuzija ir osmosas yra termodinamiškai palankūs ir tęsis tol, kol bus pasiekta pusiausvyra. Osmosas gali būti sulėtintas, sustabdytas ar net atšauktas, jei membranai iš "koncentruotos" membranos pusės daromas pakankamas slėgis.
Atvirkštinis osmosas atsiranda, kai vanduo perkeliamas per membranąprieš koncentracijos gradientą, nuo mažesnės koncentracijos iki didesnės koncentracijos. Norėdami iliustruoti, įsivaizduokite pusiau sąveikią membraną su gėlu vandeniu iš vienos pusės ir koncentruotą vandeninį tirpalą kitoje pusėje. Jei vyksta normalus osmosas, gėlas vanduo kirs membraną, kad praskiestų koncentruotą tirpalą. Atvirkštinio osmoso atveju slėgis daromas šone koncentruotu tirpalu, kad vandens molekulės būtų priverstos per membraną į gėlo vandens pusę.
Atvirkštinio osmoso metu naudojamos skirtingos membranų poros. Nors mažas porų dydis atlieka geresnį filtravimo darbą, vandens perkėlimas užtrunka ilgiau. Tai tarsi bandymas užpilti vandenį per štampą (dideles skyles ar poras), palyginti su bandymu jį užpilti popieriniu rankšluosčiu (mažesnėmis skylėmis). Tačiau atvirkštinis osmosas skiriasi nuo paprasto membranos filtravimo, nes jis apima difuziją ir yra veikiamas srauto ir slėgio.
