در مرحله تصفیه بیولوژیکی، فاضلاب ابتدا وارد ناحیه واکنش بیوشیمیایی می شود، جایی که میکروارگانیسم های موجود در لجن فعال، آلاینده هایی مانند مواد آلی و نیتروژن آمونیاکی را جذب و تجزیه می کنند. از آنجایی که سیستم MBR برای حذف لجن به ته نشینی گرانشی متکی نیست، بلکه در عوض از غشاها برای نگهداری استفاده می کند، غلظت بالایی از جوامع میکروبی را می توان در راکتور حفظ کرد و فرآیند تخریب آلاینده را کامل تر و پایدارتر می کند.
مایع مخلوط سپس از طریق ماژول های غشایی (معمولاً غشاهای میکروفیلتراسیون یا اولترافیلتراسیون) عبور می کند. تحت مکش یا فشار، مولکول‌های آب و مولکول‌های کوچک از طریق منافذ غشایی نفوذ می‌کنند تا نفوذ ایجاد کنند، در حالی که جامدات معلق، لجن و اکثر میکروارگانیسم‌ها به طور کامل در مخزن واکنش باقی می‌مانند. این فرآیند جداسازی کامل آب تمیز و لجن را به دست می‌آورد و از مشکلات از دست دادن لجن که ممکن است در مخازن ته‌نشینی ثانویه سنتی رخ دهد جلوگیری کند.
در حین کار، سیستم هوادهی به طور مداوم سطح غشاء را شستشو می دهد تا چسبندگی آلاینده را کاهش دهد. و شستشوی معکوس دوره ای یا تمیز کردن شیمیایی شار غشا را بازیابی می کند. این مکانیسم یکپارچه "تخریب بیوشیمیایی + جداسازی فیزیکی" است که غشاهای MBR را قادر می سازد تا به تصفیه فاضلاب کارآمد، پایدار و قابل استفاده مجدد با ردپای نسبتاً کمی دست یابند.