En l'etapa de tractament biològic, les aigües residuals entren primer a la zona de reacció bioquímica, on els microorganismes del fang activat adsorbeixen i descomponen contaminants com la matèria orgànica i el nitrogen amoníac. Com que el sistema MBR no es basa en la decantació per gravetat per a l'eliminació de fangs, sinó que utilitza membranes per a la retenció, es pot mantenir una alta concentració de comunitats microbianes dins del reactor, fent que el procés de degradació dels contaminants sigui més complet i estable.
A continuació, el licor barrejat passa per mòduls de membrana (generalment membranes de microfiltració o ultrafiltració). Sota la succió o pressió, les molècules d'aigua i les molècules petites penetren pels porus de la membrana per formar el permeat, mentre que els sòlids en suspensió, els fangs i la majoria dels microorganismes queden completament retinguts dins del dipòsit de reacció. Amb aquest procés s'aconsegueix la separació completa de l'aigua neta i els fangs, evitant els problemes de pèrdua de fangs que es poden produir en els dipòsits de sedimentació secundaris tradicionals.
Durant el funcionament, el sistema d'aireació neteja contínuament la superfície de la membrana per reduir l'adhesió dels contaminants; i el rentat periòdic o la neteja química restableix el flux de membrana. És aquest mecanisme integrat de "degradació bioquímica + separació física" el que permet a les membranes MBR aconseguir un tractament eficient, estable i reutilitzable d'aigües residuals amb una petjada relativament petita.