U fazi biološke obrade otpadna voda prvo ulazi u zonu biohemijske reakcije, gdje mikroorganizmi u aktivnom mulju adsorbiraju i razgrađuju zagađivače kao što su organske tvari i amonijačni dušik. Budući da se MBR sistem ne oslanja na gravitaciono taloženje za uklanjanje mulja, već umjesto toga koristi membrane za zadržavanje, visoka koncentracija mikrobnih zajednica može se održavati unutar reaktora, čineći proces degradacije zagađivača potpunijim i stabilnijim.
Pomiješana tekućina zatim prolazi kroz membranske module (obično membrane za mikrofiltraciju ili ultrafiltraciju). Pod usisom ili pritiskom, molekuli vode i mali molekuli prodiru kroz pore membrane i formiraju permeat, dok se suspendirane čvrste tvari, mulj i većina mikroorganizama u potpunosti zadržavaju unutar reakcionog spremnika. Ovim postupkom postiže se potpuno odvajanje čiste vode i mulja, izbjegavajući probleme gubitka mulja koji se mogu pojaviti u tradicionalnim sekundarnim taložnicima.
Tokom rada, sistem za aeraciju kontinuirano ispira površinu membrane kako bi se smanjila adhezija zagađivača; a periodično ispiranje ili hemijsko čišćenje obnavlja protok membrane. Upravo ovaj integrisani mehanizam "biohemijske degradacije + fizičko odvajanje" omogućava MBR membranama da postignu efikasan, stabilan tretman otpadnih voda za višekratnu upotrebu uz relativno mali otisak.