Membrana osmotyczna to półprzepuszczalna bariera, którą wykorzystuje się w systemach odwróconej osmozy. Charakteryzuje się niezwykle wysoką gęstością, jej pory są na tyle małe, że pozwalają na fizyczne oddzielenie cząsteczek wody od rozpuszczonych w niej substancji, takich jak sole mineralne, metale ciężkie oraz związki organiczne.

Działanie membrany opiera się na wymuszeniu przepływu wody w kierunku przeciwnym do naturalnego zjawiska osmozy. Proces ten jest możliwy dzięki zastosowaniu wysokiego ciśnienia. Wodę przechodząca przez membranę osmotyczną nazywamy permeatem. Charakteryzuje się ona bardzo niską przewodnością, zazwyczaj wynoszącą do 20 μS/cm.

Najczęściej stosowane membrany są bardzo wrażliwe na obecność utleniaczy w wodzie np. wolnego chloru. Utleniacze niszczą strukturę membrany, dlatego zastosowanie systemu odwróconej osmozy wymaga odpowiedniego przygotowania wody np. filtracji na węglu aktywnym.