I den biologiske rensningsfase kommer spildevandet først ind i den biokemiske reaktionszone, hvor mikroorganismer i det aktiverede slam adsorberer og nedbryder forurenende stoffer som organisk stof og ammoniak-kvælstof. Fordi MBR-systemet ikke er afhængig af tyngdekraftens sætning til fjernelse af slam, men i stedet bruger membraner til tilbageholdelse, kan en høj koncentration af mikrobielle samfund opretholdes i reaktoren, hvilket gør nedbrydningsprocessen for forurenende stoffer mere komplet og stabil.
Den blandede væske passerer derefter gennem membranmoduler (sædvanligvis mikrofiltrerings- eller ultrafiltreringsmembraner). Under sug eller tryk trænger vandmolekyler og små molekyler gennem membranporerne for at danne permeat, mens suspenderede faste stoffer, slam og de fleste mikroorganismer tilbageholdes fuldstændigt i reaktionstanken. Denne proces opnår fuldstændig adskillelse af rent vand og slam, og undgår de problemer med slamtab, der kan opstå i traditionelle sekundære sedimentationstanke.
Under drift skyller beluftningssystemet kontinuerligt membranoverfladen for at reducere vedhæftning af forurenende stoffer; og periodisk tilbageskylning eller kemisk rensning genopretter membranflux. Det er denne integrerede mekanisme med "biokemisk nedbrydning + fysisk adskillelse", der gør det muligt for MBR-membraner at opnå effektiv, stabil og genanvendelig spildevandsbehandling med et relativt lille fodaftryk.