Bioloogilise puhastuse etapis satub reovesi esmalt biokeemilise reaktsiooni tsooni, kus aktiivmudas olevad mikroorganismid adsorbeerivad ja lagundavad saasteaineid nagu orgaaniline aine ja ammoniaaklämmastik. Kuna MBR-süsteem ei tugine muda eemaldamisel gravitatsioonilisele settimisele, vaid kasutab selle asemel retentsiooniks membraane, saab reaktoris säilitada kõrget mikroobikoosluste kontsentratsiooni, muutes saasteainete lagunemisprotsessi täielikumaks ja stabiilsemaks.
Seejärel läbib seguvedelik läbi membraanimoodulite (tavaliselt mikrofiltreerimis- või ultrafiltratsioonimembraanid). Imemise või rõhu all imbuvad veemolekulid ja väikesed molekulid läbi membraani pooride, moodustades permeaadi, samal ajal kui heljuvad tahked ained, muda ja enamik mikroorganisme jäävad täielikult reaktsioonipaaki. Selle protsessiga saavutatakse puhta vee ja muda täielik eraldamine, vältides mudakao probleeme, mis võivad tekkida traditsioonilistes sekundaarsetes settepaakides.
Töötamise ajal loputab õhutussüsteem pidevalt membraani pinda, et vähendada saasteainete adhesiooni; ja perioodiline tagasipesu või keemiline puhastus taastab membraanivoolu. Just see integreeritud "biokeemilise lagunemise + füüsilise eraldamise" mehhanism võimaldab MBR-membraanidel saavutada suhteliselt väikese jalajäljega tõhusa, stabiilse ja korduvkasutatava reoveepuhastuse.