Една от основните функции на мембраните за обратна осмоза е обезсоляването. При процеси на пречистване на вода като обезсоляване на морска вода и обезсоляване на солена вода, мембраните за обратна осмоза могат да отстранят разтворени соли, колоиди, микроорганизми и органични вещества от водата, като по този начин произвеждат прясна вода. Това работи чрез прилагане на натиск, карайки водните молекули да се движат от страната на разтвора с висока-концентрация през мембраната за обратна осмоза към страната на разтвора с ниска{3}}концентрация, като по този начин премахва солта. Типичните RO мембрани имат степен на отхвърляне на натриев хлорид от над 90%, а някои композитни мембрани с обратна осмоза дори могат да постигнат степен на обезсоляване от над 98%.
Обезсоляването на морска вода е едно от най-важните приложения на технологията за обратна осмоза. Особено в крайбрежните-райони с недостиг на вода, технологията за обратна осмоза осигурява решаваща гаранция за снабдяване с прясна вода. Чрез системите за обратна осмоза солта и примесите в морската вода се отстраняват ефективно, произвеждайки прясна вода, подходяща за човешка пиене и промишлена употреба. Това не само решава проблема с недостига на вода в крайбрежните райони, но също така насърчава местното икономическо и социално развитие.