Biologisessa käsittelyvaiheessa jätevesi siirtyy ensin biokemialliseen reaktioalueeseen, jossa aktiivilietteen mikro-organismit adsorboivat ja hajottavat epäpuhtauksia, kuten orgaanista ainetta ja ammoniakkityppeä. Koska MBR-järjestelmä ei ole riippuvainen painovoiman laskeutumisesta lietteen poistoon, vaan käyttää sen sijaan kalvoja retentioon, reaktorissa voidaan ylläpitää korkeaa mikrobiyhteisöjen pitoisuutta, mikä tekee epäpuhtauksien hajoamisprosessista täydellisemmän ja vakaamman.
Sekoitettu lipeä kulkee sitten kalvomoduulien (yleensä mikrosuodatus- tai ultrasuodatuskalvojen) läpi. Imun tai paineen alaisena vesimolekyylit ja pienet molekyylit tunkeutuvat kalvon huokosten läpi muodostaen permeaattia, kun taas suspendoituneet kiintoaineet, liete ja useimmat mikro-organismit pysyvät täysin reaktiosäiliössä. Tämä prosessi saavuttaa täydellisen puhtaan veden ja lietteen erottelun, jolloin vältetään lietteen häviöongelmat, joita voi esiintyä perinteisissä sekundäärisedimentointisäiliöissä.
Käytön aikana ilmastusjärjestelmä huuhtelee jatkuvasti kalvon pintaa epäpuhtauksien kiinnittymisen vähentämiseksi; ja säännöllinen vastahuuhtelu tai kemiallinen puhdistus palauttaa kalvon virtauksen. Tämä integroitu "biokemiallinen hajoaminen + fyysinen erottelu" mahdollistaa MBR-kalvojen tehokkaan, vakaan ja uudelleenkäytettävän jätevedenkäsittelyn suhteellisen pienellä jalanjäljellä.