עקרון התכנון של ציוד להתפלת מי ים מבוסס על חדירות סלקטיבית של ממברנות חדירה למחצה-. בלחץ גבוה, מי הים נדחפים דרך קרום אוסמוזה הפוכה. מולקולות מים עוברות דרך נקבוביות הממברנה ליצירת מים מתוקים, בעוד שיוני מלח וזיהומים מומסים אחרים נשמרים ונפלטים כמלח מרוכז. לכן, המפתח לתכנון המערכת הוא יצירת לחץ תפעולי גבוה מספיק (בדרך כלל גבוה בהרבה מהלחץ האוסמוטי של מי הים) כדי להתגבר על הנטייה הטבעית של האוסמוזה ולהשיג את תהליך ההפרדה ההפוכה.
ציוד להתפלת מי ים מורכב בדרך כלל מיחידת טיפול מקדים, יחידת לחץ, יחידת הפרדת ממברנה ויחידה לטיפול לאחר-. מדור הטיפול המקדים מסיר מוצקים מרחפים וחומרים אורגניים באמצעות סינון חול, סינון אולטרה או מינון כימי כדי למנוע התכלות של הממברנה. יחידת הלחץ מופעלת על ידי משאבת- בלחץ גבוה. יחידת ההפרדה של הממברנה היא הליבה, תוך שימוש במספר מכלי לחץ המחוברים בטור ובמקביל כדי להשיג עיבוד בקנה מידה גדול. טיפול שלאחר-משמש להתאמת ה-pH, מינרליזציה או חיטוי, כדי להבטיח שהמים המופקים עומדים בתקני מי השתייה.
מערכות התפלת מי ים שמות דגש מיוחד על שחזור אנרגיה ושיפור יעילות. לדוגמה, התקן לשחזור אנרגיה (ERD) משמש כדי לשחזר את אנרגיית הלחץ מהמלח המרוכז כדי להפחית את צריכת האנרגיה הכוללת. במקביל, על ידי אופטימיזציה של סידור הממברנות, שליטה בשיעורי ההתאוששות והפחתת זיהום הממברנה, ניתן לשפר עוד יותר את היציבות התפעולית והיעילות הכלכלית של המערכת. בסך הכל, התכנון של ציוד התפלת מי ים אוסמוזה הפוכה הוא בעצם "מערכת הפרדה סלקטיבית המונעת על ידי לחץ גבוה", תוך התחשבות באיכות המים, בצריכת האנרגיה וביציבות התפעולית-ארוכת הטווח.