Khuếch tán là sử chuyển động của các phân từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn. Thẩm thấu là một trường hợp đặc biệt, trong đó các phân tử là nước và gradient nồng độ xảy ra qua một màng bán thấm. Màng bán thấm cho phép phân tử nước đi qua nhưng ngăn lại các ion như Na+, Ca2+,Cl- hay các phân tử lớn hơn như glucose, urê, vi khuẩn. Quá trình khuếch tán và thẩm thấu sẽ diễn ra cho đến khi đạt trạng thái cân bằng. Quá trình thẩm thấu có thể làm chậm lại hoặc dừng hẳn, thậm chí đảo ngược nếu đảm bảo đủ áp lực.

Quá trình thẩm thấu ngược xảy ra khi nước di chuyển qua màng ngược với gradient nồng độ, nước sẽ di chuyển từ nơi có nồng độ thấp hơn tới nơi có nồng độ cao hơn. Để minh họa, hãy tưởng một màng bán thấm với dung dịch là nước ngọt ở một bên và nước thông thường ở một bên. Nếu một quá trình thẩm thấu thông thường diễn ra, nước ngọt sẽ đi qua màng qua bên kia nước thường để nước ngọt được pha loãng. Trong thẩm thấu ngược, một áp lực sẽ được tác động lên phía màng có chứa dung dịch nước thông thường để buộc các phân tử nước này đi qua màng phía có chứa dung dịch nước ngọt.

Màng bán thấm RO thường được sử dụng trong công nghệ lọc nước thương mại và gia dụng, nó cũng là một trong những phương pháp dùng để khử muối trong nước biển. Đôi khi màng RO còn được dùng để làm sạch các chất lòng mà trong đó nước là một tạp chất cần được loại bỏ, ví dụ làm sạch dung dịch ethanol.