El principi de disseny dels equips de dessalinització d'aigua de mar es basa en la permeabilitat selectiva de les membranes semi-permeables. A alta pressió, l'aigua de mar passa a través d'una membrana d'osmosi inversa. Les molècules d'aigua travessen els porus de la membrana per formar aigua dolça, mentre que els ions de sal i altres impureses dissoltes es retenen i es descarreguen com a salmorra concentrada. Per tant, la clau per al disseny del sistema és establir una pressió de funcionament prou alta (generalment molt superior a la pressió osmòtica de l'aigua de mar) per superar la tendència natural a l'osmosi i aconseguir el procés de separació inversa.
Els equips de dessalinització d'aigua de mar solen consistir en una unitat de pretractament, una unitat de pressurització, una unitat de separació de membrana i una unitat de post-tractament. La secció de pretractament elimina els sòlids en suspensió i la matèria orgànica mitjançant filtració de sorra, ultrafiltració o dosificació química per evitar l'encrassement de la membrana. La unitat de pressurització és alimentada per una bomba-d'alta pressió. La unitat de separació de membrana és el nucli, utilitzant diversos recipients a pressió connectats en sèrie i en paral·lel per aconseguir un processament a gran-escala. El post-tractament s'utilitza per ajustar el pH, mineralitzar o desinfectar, garantint que l'aigua produïda compleixi els estàndards d'aigua potable.
Els sistemes de dessalinització d'aigua de mar posen especial èmfasi en la recuperació energètica i la millora de l'eficiència. Per exemple, s'utilitza un dispositiu de recuperació d'energia (ERD) per recuperar l'energia de pressió de la salmorra concentrada per reduir el consum total d'energia. Simultàniament, optimitzant la disposició de la membrana, controlant les taxes de recuperació i reduint la contaminació de la membrana, es pot millorar encara més l'estabilitat operativa i l'eficiència econòmica del sistema. En general, el disseny de l'equip de dessalinització d'aigua de mar d'osmosi inversa és essencialment un "sistema de separació selectiu impulsat per alta pressió", tenint en compte la qualitat de l'aigua, el consum d'energia i l'estabilitat operativa-a llarg termini.