В етапа на биологично третиране отпадъчните води първо навлизат в биохимичната реакционна зона, където микроорганизмите в активната утайка адсорбират и разлагат замърсители като органични вещества и амонячен азот. Тъй като системата MBR не разчита на гравитационно утаяване за отстраняване на утайки, а вместо това използва мембрани за задържане, в реактора може да се поддържа висока концентрация на микробни общности, което прави процеса на разграждане на замърсителите по-пълен и стабилен.
След това смесената течност преминава през мембранни модули (обикновено микрофилтрационни или ултрафилтрационни мембрани). При засмукване или налягане водните молекули и малките молекули проникват през порите на мембраната, за да образуват пермеат, докато суспендирани твърди вещества, утайки и повечето микроорганизми се задържат напълно в реакционния резервоар. Този процес постига пълно разделяне на чиста вода и утайка, избягвайки проблемите със загубата на утайка, които могат да възникнат в традиционните резервоари за вторично утаяване.
По време на работа системата за аериране непрекъснато промива повърхността на мембраната, за да намали адхезията на замърсителите; и периодичното обратно промиване или химическо почистване възстановява мембранния поток. Именно този интегриран механизъм на "биохимично разграждане + физическо разделяне" позволява на MBR мембраните да постигнат ефективно, стабилно и многократно пречистване на отпадъчни води със сравнително малък отпечатък.