اصل طراحی تجهیزات نمک‌زدایی آب دریا مبتنی بر نفوذپذیری انتخابی غشاهای نیمه نفوذپذیر است. تحت فشار بالا، آب دریا از طریق یک غشای اسمز معکوس عبور می کند. مولکول‌های آب از منافذ غشایی عبور می‌کنند تا آب شیرین را تشکیل دهند، در حالی که یون‌های نمک و سایر ناخالصی‌های محلول باقی می‌مانند و به صورت آب نمک غلیظ تخلیه می‌شوند. بنابراین، کلید طراحی سیستم، ایجاد فشار عملیاتی به اندازه کافی بالا (معمولاً بسیار بیشتر از فشار اسمزی آب دریا) برای غلبه بر تمایل اسمز طبیعی و دستیابی به فرآیند جداسازی معکوس است.
تجهیزات نمک زدایی آب دریا معمولاً از یک واحد پیش تصفیه، یک واحد فشار، یک واحد جداسازی غشایی و یک واحد تصفیه پست- تشکیل شده است. بخش پیش تصفیه، جامدات معلق و مواد آلی را از طریق فیلتر شنی، اولترافیلتراسیون یا دوز شیمیایی حذف می کند تا از رسوب غشاء جلوگیری شود. واحد فشار توسط یک پمپ فشار قوی- تغذیه می شود. واحد جداسازی غشاء هسته است که از مخازن فشار متعددی که به صورت سری و موازی به هم متصل شده اند برای دستیابی به پردازش در مقیاس بزرگ استفاده می کند. پس{7}}تصفیه برای تنظیم pH، معدنی کردن یا ضدعفونی کردن استفاده می‌شود تا اطمینان حاصل شود که آب تولید شده مطابق با استانداردهای آب آشامیدنی است.
سیستم های نمک زدایی آب دریا تاکید خاصی بر بازیافت انرژی و بهبود کارایی دارند. به عنوان مثال، یک دستگاه بازیابی انرژی (ERD) برای بازیابی انرژی فشار از آب نمک غلیظ برای کاهش مصرف کلی انرژی استفاده می شود. به طور همزمان، با بهینه سازی آرایش غشا، کنترل نرخ بازیابی، و کاهش رسوب غشایی، پایداری عملیاتی و کارایی اقتصادی سیستم را می توان بیشتر بهبود بخشید. به طور کلی، طراحی تجهیزات نمک‌زدایی آب دریا با اسمز معکوس اساساً یک «سیستم جداسازی انتخابی که توسط فشار بالا هدایت می‌شود» است که کیفیت آب، مصرف انرژی و پایداری عملیاتی طولانی‌مدت را در نظر می‌گیرد.