Jedna od primarnih funkcija membrana reverzne osmoze je desalinizacija. U procesima obrade vode kao što su desalinizacija morske vode i desalinizacija slane vode, membrane reverzne osmoze mogu ukloniti otopljene soli, koloide, mikroorganizme i organske tvari iz vode, čime se proizvodi slatka voda. To funkcionira primjenom pritiska, uzrokujući pomicanje molekula vode sa strane otopine visoke-koncentracije kroz membranu reverzne osmoze na stranu otopine niske-koncentracije, čime se uklanja sol. Tipične RO membrane imaju stopu odbijanja natrijevog klorida od preko 90%, a neke kompozitne membrane s reverznom osmozom čak mogu postići stopu desalinizacije od preko 98%.
Desalinizacija morske vode jedna je od najvažnijih primjena tehnologije reverzne osmoze. Posebno u-oskudnim obalnim područjima, tehnologija reverzne osmoze pruža ključno jamstvo za opskrbu slatkom vodom. Kroz sustave reverzne osmoze, sol i nečistoće u morskoj vodi se učinkovito uklanjaju, proizvodeći slatku vodu pogodnu za piće i industrijsku upotrebu. Ovo ne samo da rješava problem nedostatka vode u obalnim područjima, već također promiče lokalni gospodarski i društveni razvoj.