Μία από τις κύριες λειτουργίες των μεμβρανών αντίστροφης όσμωσης είναι η αφαλάτωση. Σε διαδικασίες επεξεργασίας νερού όπως η αφαλάτωση θαλασσινού νερού και η αφαλάτωση υφάλμυρου νερού, οι μεμβράνες αντίστροφης όσμωσης μπορούν να αφαιρέσουν διαλυμένα άλατα, κολλοειδή, μικροοργανισμούς και οργανική ύλη από το νερό, παράγοντας έτσι γλυκό νερό. Αυτό λειτουργεί με την εφαρμογή πίεσης, αναγκάζοντας τα μόρια του νερού να μετακινηθούν από την πλευρά του διαλύματος υψηλής-συγκέντρωσης μέσω της μεμβράνης αντίστροφης όσμωσης προς την πλευρά του διαλύματος χαμηλής-συγκέντρωσης, απομακρύνοντας έτσι το αλάτι. Οι τυπικές μεμβράνες RO έχουν ρυθμό απόρριψης χλωριούχου νατρίου πάνω από 90%, και ορισμένες σύνθετες μεμβράνες αντίστροφης όσμωσης μπορούν ακόμη και να επιτύχουν ρυθμό αφαλάτωσης άνω του 98%.
Η αφαλάτωση του θαλασσινού νερού είναι μια από τις σημαντικότερες εφαρμογές της τεχνολογίας αντίστροφης όσμωσης. Ειδικά σε παράκτιες περιοχές που σπανίζουν-το νερό, η τεχνολογία αντίστροφης όσμωσης παρέχει μια κρίσιμη εγγύηση για την παροχή γλυκού νερού. Μέσω των συστημάτων αντίστροφης όσμωσης, το αλάτι και οι ακαθαρσίες στο θαλασσινό νερό απομακρύνονται αποτελεσματικά, παράγοντας γλυκό νερό κατάλληλο για ανθρώπινη κατανάλωση και βιομηχανική χρήση. Αυτό όχι μόνο λύνει το πρόβλημα της λειψυδρίας στις παράκτιες περιοχές αλλά προάγει επίσης την τοπική οικονομική και κοινωνική ανάπτυξη.