U fazi biološkog pročišćavanja, otpadna voda prvo ulazi u zonu biokemijske reakcije, gdje mikroorganizmi u aktivnom mulju adsorbiraju i razgrađuju zagađivače kao što su organske tvari i amonijačni dušik. Budući da se MBR sustav ne oslanja na gravitacijsko taloženje za uklanjanje mulja, već umjesto toga koristi membrane za zadržavanje, visoka koncentracija mikrobnih zajednica može se održavati unutar reaktora, čineći proces razgradnje onečišćivača potpunijim i stabilnijim.
Miješana tekućina zatim prolazi kroz membranske module (obično mikrofiltracijske ili ultrafiltracijske membrane). Pod usisavanjem ili pritiskom, molekule vode i male molekule prodiru kroz pore membrane i stvaraju permeat, dok se suspendirane krutine, mulj i većina mikroorganizama potpuno zadržavaju unutar reakcijskog spremnika. Ovim postupkom postiže se potpuno odvajanje čiste vode i mulja, izbjegavajući probleme s gubitkom mulja koji se mogu pojaviti u tradicionalnim sekundarnim taložnicima.
Tijekom rada, sustav prozračivanja kontinuirano ispire površinu membrane kako bi se smanjilo prianjanje onečišćenja; a periodično povratno ispiranje ili kemijsko čišćenje obnavlja protok membrane. Upravo ovaj integrirani mehanizam "biokemijske razgradnje + fizičke separacije" omogućuje MBR membranama postizanje učinkovite, stabilne i višekratne obrade otpadnih voda uz relativno mali otisak.