Una de les funcions principals de les membranes d'osmosi inversa és la dessalinització. En processos de tractament d'aigua com la dessalinització d'aigua de mar i la dessalinització d'aigua salobre, les membranes d'osmosi inversa poden eliminar de l'aigua sals dissoltes, col·loides, microorganismes i matèria orgànica, produint així aigua dolça. Això funciona aplicant pressió, fent que les molècules d'aigua es moguin des del costat de la solució d'alta-concentració a través de la membrana d'osmosi inversa fins al costat de la solució de baixa-concentració, eliminant així la sal. Les membranes RO típiques tenen una taxa de rebuig de clorur de sodi superior al 90% i algunes membranes compostes d'osmosi inversa poden fins i tot aconseguir una taxa de dessalinització superior al 98%.
La dessalinització d'aigua de mar és una de les aplicacions més importants de la tecnologia d'osmosi inversa. Especialment a les zones costaneres-escassas d'aigua, la tecnologia d'osmosi inversa ofereix una garantia crucial per al subministrament d'aigua dolça. Mitjançant els sistemes d'osmosi inversa, la sal i les impureses de l'aigua de mar s'eliminen eficaçment, produint aigua dolça adequada per a la beguda humana i per a l'ús industrial. Això no només resol el problema de l'escassetat d'aigua a les zones costaneres, sinó que també promou el desenvolupament econòmic i social local.