תפקיד הליבה של ממברנות אוסמוזה הפוכה הוא להשיג הפרדה יעילה של מים ומומסים באמצעות הנעה בלחץ גבוה-, ובכך להשיג מים במוצר בטוהר- גבוה. העיקרון הבסיסי שלו הוא שימוש בממברנה חדירה למחצה- המאפשרת רק למולקולות מים לעבור דרכה תוך חסימת מלחים מומסים, יוני מתכות כבדות, חומרים אורגניים ומיקרואורגניזמים, ובכך להשיג טיהור עמוק.
בטיהור מים, ממברנות אוסמוזה הפוכה יכולות להפחית באופן משמעותי את TDS (Total Dissolved Solids), קשיות ותכולת מתכות כבדות במים, ולהפוך מים גולמיים למים טהורים ראויים לשתייה. פונקציה זו נמצאת בשימוש נרחב במטהרי מים ביתיים, ייצור מים טהורים תעשייתיים ומערכות מים אולטרה-טהורים במעבדה, מתאים במיוחד לתרחישים עם איכות מים ירודה או דרישות טוהר גבוהות.
ביישומים תעשייתיים, ממברנות אוסמוזה הפוכה משמשות לא רק לייצור מים אלא גם לאספקה יציבה של מי תהליך. לדוגמה, תעשיית האלקטרוניקה דורשת מים טהורים במיוחד לניקוי שבבים, תעשיית החשמל זקוקה למי הזנת דוודים, והתעשייה הכימית משתמשת בהם להפרדה וריכוז של ממיסים ותמיסות. יכולות התפלה יציבות מבטיחות את יציבות תהליכי הייצור ואיכות המוצר.
יתר על כן, לממברנות אוסמוזה הפוכה יש גם פונקציות שחזור משאבים ושמירה על הסביבה. בטיפול בשפכים, זה יכול לאפשר שימוש חוזר עמוק בשפכים, הפחתת פליטות; בהתפלת מי ים, זה יכול להמיר מי ים למשאבי מים מתוקים. עם הגדלת הדרישות לחיסכון במים והגנת הסביבה, היישום של פונקציה זו ממשיך להתרחב ברחבי העולם.