A biológiai tisztítási szakaszban a szennyvíz először a biokémiai reakciózónába kerül, ahol az eleveniszapban lévő mikroorganizmusok adszorbeálják és lebontják a szennyező anyagokat, például szerves anyagokat és ammónia-nitrogént. Mivel az MBR rendszer nem a gravitációs ülepítésre támaszkodik az iszap eltávolításához, hanem membránokat használ a visszatartáshoz, a mikrobiális közösségek magas koncentrációja tartható fenn a reaktoron belül, így a szennyezőanyag-lebontási folyamat teljesebbé és stabilabbá válik.
A kevert folyadék ezután membránmodulokon (általában mikroszűrő vagy ultraszűrő membránokon) halad át. Szívás vagy nyomás hatására a vízmolekulák és a kis molekulák átszivárognak a membrán pórusain, és permeátumot képeznek, miközben a lebegő szilárd anyagok, az iszap és a legtöbb mikroorganizmus teljesen visszamarad a reakciótartályban. Ez az eljárás a tiszta víz és az iszap teljes elválasztását éri el, elkerülve a hagyományos másodlagos ülepítő tartályokban előforduló iszapveszteséget.
Működés közben a levegőztető rendszer folyamatosan öblíti a membrán felületét, hogy csökkentse a szennyező anyagok tapadását; és az időszakos visszamosás vagy vegyszeres tisztítás helyreállítja a membránfluxust. Ez a „biokémiai lebontás + fizikai elválasztás” integrált mechanizmusa teszi lehetővé, hogy az MBR membránok hatékony, stabil és újrafelhasználható szennyvízkezelést érjenek el viszonylag kis helyigénnyel.