V fazi biološkega čiščenja odpadna voda najprej vstopi v območje biokemične reakcije, kjer mikroorganizmi v aktivnem blatu adsorbirajo in razgrajujejo onesnaževala, kot so organske snovi in amonijev dušik. Ker se sistem MBR ne zanaša na gravitacijsko usedanje za odstranjevanje blata, ampak namesto tega uporablja membrane za zadrževanje, je mogoče v reaktorju vzdrževati visoko koncentracijo mikrobnih skupnosti, zaradi česar je proces razgradnje onesnaževal popolnejši in stabilnejši.
Mešana tekočina gre nato skozi membranske module (običajno mikrofiltracijske ali ultrafiltracijske membrane). Pod sesanjem ali pritiskom molekule vode in majhne molekule pronicajo skozi membranske pore, da tvorijo permeat, medtem ko se suspendirane trdne snovi, blato in večina mikroorganizmov v celoti zadržijo v reakcijski posodi. S tem postopkom dosežemo popolno ločitev čiste vode in blata, s čimer se izognemo težavam z izgubo blata, ki se lahko pojavijo v tradicionalnih sekundarnih usedalnikih.
Med delovanjem prezračevalni sistem nenehno izpira površino membrane, da zmanjša oprijem onesnaževal; in občasno povratno pranje ali kemično čiščenje obnovi pretok membrane. Ta integrirani mehanizem "biokemične razgradnje + fizične ločitve" omogoča membranam MBR, da dosežejo učinkovito, stabilno in ponovno uporabno čiščenje odpadne vode z relativno majhnim odtisom.