בשלב הטיפול הביולוגי, שפכים נכנסים תחילה לאזור התגובה הביוכימית, שבו מיקרואורגניזמים בבוצה הפעילה סופחים ומפרקים מזהמים כמו חומרים אורגניים וחנקן אמוניה. מכיוון שמערכת MBR אינה מסתמכת על שקיעת כוח הכבידה לצורך פינוי בוצה אלא משתמשת בממברנות לשמירה, ניתן לשמור על ריכוז גבוה של קהילות חיידקים בתוך הכור, מה שהופך את תהליך פירוק המזהמים לשלם ויציב יותר.
לאחר מכן, המשקה המעורב עובר דרך מודולי ממברנה (בדרך כלל ממברנות מיקרו-פילטרציה או אולטרה-פילטרציה). תחת יניקה או לחץ, מולקולות מים ומולקולות קטנות חודרות דרך נקבוביות הממברנה ליצירת חלחול, בעוד שמוצקים מרחפים, בוצה ורוב המיקרואורגניזמים נשמרים לחלוטין בתוך מיכל התגובה. תהליך זה משיג הפרדה מלאה של מים נקיים ובוצה, תוך הימנעות מבעיות אובדן בוצה שעלולות להתרחש במיכלי שיקוע משניים מסורתיים.
במהלך הפעולה, מערכת האוורור שוטפת ברציפות את פני הממברנה כדי להפחית הידבקות מזהמים; ושטיפה חוזרת תקופתית או ניקוי כימי משחזרת את שטף הממברנה. המנגנון המשולב הזה של "פירוק ביוכימי + הפרדה פיזית" הוא שמאפשר לממברנות MBR להשיג טיפול יעיל, יציב וניתן לשימוש חוזר בשפכים עם טביעת רגל קטנה יחסית.