Osmosis merupakan fenomena umum di alam. Misalnya mentimun dimasukkan ke dalam air garam maka airnya akan hilang dan menyusut. Proses masuknya molekul air dari timun ke dalam larutan air garam adalah osmosis. Jika suatu genangan air dibagi menjadi dua bagian oleh sebuah membran yang hanya dapat dilalui oleh molekul air, dan air murni serta air garam dituangkan ke setiap sisi membran dengan ketinggian yang sama, setelah jangka waktu tertentu, kadar air murni akan berkurang, sedangkan kadar air asin akan meningkat. Fenomena migrasi molekul air melalui membran ke dalam air garam disebut osmosis. Kenaikan permukaan air asin tidak ada habisnya; ia akan mencapai titik keseimbangan pada ketinggian tertentu. Tekanan yang dinyatakan oleh perbedaan tingkat cairan melintasi membran pada titik ini disebut tekanan osmotik. Besarnya tekanan osmotik berhubungan langsung dengan konsentrasi air garam.
Setelah alat di atas mencapai kesetimbangan, jika tekanan tertentu diberikan pada permukaan sisi air asin, molekul air akan bermigrasi dari sisi air asin ke sisi air murni. Fenomena perpindahan molekul cairan dari larutan encer ke larutan pekat di bawah tekanan disebut osmosis balik. Jika air garam ditambahkan ke salah satu ujung alat yang disebutkan di atas-dan tekanan yang melebihi tekanan osmotik air garam diterapkan pada ujung tersebut, kita dapat memperoleh air murni di ujung yang lain. Ini adalah prinsip pemurnian air reverse osmosis. Ada dua faktor kunci dalam sistem osmosis balik yang menghasilkan air murni: membran selektif, yang disebut membran semi-permeabel, dan tekanan tertentu.
Sederhananya, membran semi-permeabel osmosis terbalik memiliki banyak pori, yang ukurannya sebanding dengan ukuran molekul air. Karena bakteri, virus, sebagian besar polutan organik, dan ion terhidrasi jauh lebih besar daripada molekul air, mereka tidak dapat melewati membran semi-permeabel osmosis balik dan terpisah dari air yang melewatinya. Di antara banyaknya kotoran dalam air, garam terlarut adalah yang paling sulit dihilangkan. Oleh karena itu, efek pemurnian air dari reverse osmosis sering kali ditentukan oleh laju desalinasi. Laju desalinasi osmosis balik terutama bergantung pada selektivitas membran semi-permeabel osmosis balik. Elemen membran osmosis balik dengan selektivitas-tinggi dapat mencapai laju desalinasi setinggi 99,7%.
