Ve stupni biologického čištění odpadní voda nejprve vstupuje do biochemické reakční zóny, kde mikroorganismy v aktivovaném kalu adsorbují a rozkládají znečišťující látky, jako jsou organické látky a amoniakální dusík. Protože systém MBR nespoléhá na gravitační usazování pro odstraňování kalu, ale místo toho používá membrány pro retenci, může být v reaktoru udržována vysoká koncentrace mikrobiálních komunit, díky čemuž je proces degradace znečišťujících látek kompletnější a stabilnější.
Směsná kapalina pak prochází membránovými moduly (obvykle mikrofiltrační nebo ultrafiltrační membrány). Pod sáním nebo tlakem molekuly vody a malé molekuly pronikají póry membrány za vzniku permeátu, zatímco suspendované pevné látky, kal a většina mikroorganismů jsou zcela zadrženy v reakční nádrži. Tento proces dosahuje úplného oddělení čisté vody a kalu, čímž se zabrání problémům se ztrátou kalu, které mohou nastat v tradičních sekundárních sedimentačních nádržích.
Během provozu provzdušňovací systém nepřetržitě proplachuje povrch membrány, aby se snížila přilnavost znečišťujících látek; a periodické zpětné proplachování nebo chemické čištění obnovuje tok membrány. Právě tento integrovaný mechanismus „biochemické degradace + fyzikální separace“ umožňuje membránám MBR dosáhnout účinného, stabilního a opakovaně použitelného čištění odpadních vod s relativně malou stopou.