Jednou z primárních funkcí membrán reverzní osmózy je odsolování. V procesech úpravy vody, jako je odsolování mořské vody a odsolování brakické vody, mohou membrány s reverzní osmózou odstraňovat rozpuštěné soli, koloidy, mikroorganismy a organické látky z vody, a tak vyrábět čerstvou vodu. Funguje to tak, že působí tlakem, který způsobí, že se molekuly vody přesunou ze strany roztoku s vysokou -koncentrací přes membránu reverzní osmózy na stranu s roztokem s nízkou -, čímž se odstraní sůl. Typické RO membrány mají míru odmítnutí chloridu sodného přes 90 % a některé kompozitní membrány s reverzní osmózou mohou dokonce dosáhnout míry odsolování přes 98 %.
Odsolování mořské vody je jednou z nejdůležitějších aplikací technologie reverzní osmózy. Zejména v pobřežních oblastech s nedostatkem vody- poskytuje technologie reverzní osmózy zásadní záruku dodávek sladké vody. Prostřednictvím systémů reverzní osmózy jsou účinně odstraněny soli a nečistoty v mořské vodě a vzniká tak sladká voda vhodná pro lidské pití a průmyslové použití. To nejen řeší problém nedostatku vody v pobřežních oblastech, ale také podporuje místní hospodářský a sociální rozvoj.