Het ontwerpprincipe van apparatuur voor de ontzilting van zeewater is gebaseerd op de selectieve permeabiliteit van semi-permeabele membranen. Onder hoge druk wordt het zeewater door een membraan voor omgekeerde osmose geperst. Watermoleculen passeren de membraanporiën en vormen zoet water, terwijl zoutionen en andere opgeloste onzuiverheden worden vastgehouden en afgevoerd als geconcentreerde pekel. Daarom is de sleutel tot het systeemontwerp het tot stand brengen van een voldoende hoge werkdruk (meestal veel hoger dan de osmotische druk van zeewater) om de neiging tot natuurlijke osmose te overwinnen en het omgekeerde scheidingsproces te bereiken.
Apparatuur voor de ontzilting van zeewater bestaat doorgaans uit een voorbehandelingseenheid, een drukeenheid, een membraanscheidingseenheid en een na-behandelingseenheid. De voorbehandelingssectie verwijdert zwevende vaste stoffen en organisch materiaal door middel van zandfiltratie, ultrafiltratie of chemische dosering om membraanvervuiling te voorkomen. De drukregelaar wordt aangedreven door een hogedrukpomp. De membraanscheidingseenheid vormt de kern en maakt gebruik van meerdere drukvaten die in serie en parallel zijn geschakeld om verwerking op grote- schaal mogelijk te maken. Na-behandeling wordt gebruikt om de pH aan te passen, te mineraliseren of te desinfecteren, zodat het geproduceerde water voldoet aan de drinkwaternormen.
Bij zeewaterontziltingssystemen wordt bijzondere nadruk gelegd op energieterugwinning en efficiëntieverbetering. Er wordt bijvoorbeeld een energieterugwinningsapparaat (ERD) gebruikt om de drukenergie uit de geconcentreerde pekel terug te winnen om het totale energieverbruik te verminderen. Tegelijkertijd kunnen de operationele stabiliteit en economische efficiëntie van het systeem verder worden verbeterd door de membraanopstelling te optimaliseren, de terugwinningspercentages te beheersen en de membraanvervuiling te verminderen. Over het geheel genomen is het ontwerp van de zeewaterontziltingsapparatuur met omgekeerde osmose in wezen een 'selectief scheidingssysteem, aangedreven door hoge druk', waarbij rekening wordt gehouden met de waterkwaliteit, het energieverbruik en de operationele stabiliteit op lange termijn.