Die Umkehrosmose kann nur im weitesten Sinne als ein Filtrationsverfahren bezeichnet werden, da bei diesem Verfahren die Membrane nicht porös ist, sondern semipermeabel. Das heißt, die Membrane ist nicht wasserdurchlässig im eigentlichen Sinne, sondern kann Wasser in seiner molekularen Struktur aufnehmen Das bedeutet wiederum, dass das anfallende Konzentrat die gesamten Verunreinigungen enthält, die durch das Rohwasser zugeführt werden, während im Permeat hauptsächlich Wassermoleküle vorhanden sind.

Ursprünglich wird die Umkehrosmose zur Meer- und Brackwasserentsalzung verwendet, sie findet aber auch zunehmend Einsatz im Bereich der Trennung rein organischer Mischungen.

Das Prinzip der Umkehrosmose wird durch nebenstehende Abbildung dargestellt:

Trennt man beispielsweise eine Salzlösung von reinem Wasser mit einer semipermeablen Membran, so hat das System das natürliche Bestreben nach Konzentrationsausgleich. Das kann nur dadurch erreicht werden, dass reines Wasser durch die Membran in die Salzlösung gelangt. Dieser Vorgang wird als osmotischer Fluss bezeichnet, der dazu führt, dass das ursprünglich gleiche Volumenverhältnis der beiden Flüssigkeiten zu Gunsten der Salzlösung verändert wird. Der Flüssigkeitspegel auf der Salzlösungsseite steigt also, der auf der Wasserseite sinkt. Wird der osmotische Fluss Null, hat sich das osmotische Gleichgewicht eingestellt. Der Höhenunterschied der beiden Flüssigkeiten entspricht dem osmotischen Druck und verhält sich proportional zum Anfangssalzgehalt der Lösung.

Übt man Druck seitens der Salzlösung aus, der den osmotischen Druck übertrifft, wird der Vorgang umgekehrt, es gelangt also reines Wasser von der Seite der Salzlösung durch die Membran auf die Wasserseite. Dieser Vorgang wird als umgekehrte Osmose oder als Umkehrosmose bezeichnet. Der Prozess liefert einen konstanten Reinwasserstrom mit geringem Salzgehalt, praktisch frei von Kolloiden, Feststoffen und Bakterien. Die im Wasser gelösten Gase, wie zum Beispiel Sauerstoff oder Kohlenstoffdioxid, werden nicht abgetrennt.