אוסמוזה היא תופעה שכיחה בטבע. לדוגמה, אם מלפפון מונח במי מלח, הוא יאבד מים ויתכווץ. תהליך כניסת מולקולות המים מהמלפפון לתמיסת מי המלח הוא אוסמוזה. אם בריכת מים מחולקת לשני חלקים על ידי ממברנה שרק מולקולות מים יכולות לעבור דרכה, ושופכים מים טהורים ומים מלוחים לכל צד של הממברנה לאותו גובה, לאחר פרק זמן, רמת המים הטהורים תרד, בעוד שרמת המים המלוחים תעלה. תופעה זו של מולקולות מים הנודדות דרך הממברנה אל מי המלח נקראת אוסמוזה. העלייה במפלס מי המלח אינה אינסופית; הוא יגיע לנקודת שיווי משקל בגובה מסוים. הלחץ המיוצג על ידי ההבדל ברמות הנוזל על פני הממברנה בנקודה זו נקרא לחץ אוסמוטי. גודל הלחץ האוסמוטי קשור ישירות לריכוז מי המלח.
לאחר שהמכשיר הנ"ל יגיע לשיווי משקל, אם יופעל לחץ מסוים על פני השטח של צד המים המלוחים, מולקולות המים ינודו מצד המים המלוחים לצד המים הטהורים. תופעה זו של מולקולות נוזלים הנודדות מתמיסה מדוללת לתמיסה מרוכזת בלחץ נקראת אוסמוזה הפוכה. אם מוסיפים תמלחת לקצה אחד של המכשיר- שהוזכר לעיל ולחץ העולה על הלחץ האוסמוטי של התמלחת מופעל על הקצה הזה, נוכל להשיג מים טהורים בקצה השני. זהו העיקרון של טיהור מים באוסמוזה הפוכה. ישנם שני גורמים מרכזיים במערכות אוסמוזה הפוכה המייצרות מים טהורים: קרום סלקטיבי, הנקרא קרום חדיר למחצה- ולחץ מסוים.
במילים פשוטות, לממברנה החדירה למחצה- של אוסמוזה הפוכה יש נקבוביות רבות, שגודלן דומה לגודלן של מולקולות מים. מכיוון שחיידקים, וירוסים, רוב המזהמים האורגניים והיונים המולחלים גדולים בהרבה ממולקולות מים, הם אינם יכולים לעבור דרך הממברנה החדירה למחצה- של אוסמוזה הפוכה ומופרדים מהמים שעוברים דרכם. בין הזיהומים הרבים שבמים, מלחים מומסים הם הקשים ביותר להסרה. לכן, השפעת טיהור המים של אוסמוזה הפוכה נקבעת לרוב על ידי קצב ההתפלה. קצב ההתפלה של אוסמוזה הפוכה תלוי בעיקר בסלקטיביות של הקרום החדיר למחצה של אוסמוזה הפוכה. רכיבי קרום אוסמוזה הפוכה-בררנית גבוהה יכולים להשיג שיעור התפלה של עד 99.7%.
