L'osmose inverse permet d'éliminer plus de 99 % des sels dissous (ions), des particules, des colloïdes, des matières organiques, des bactéries et des pyrogènes présents dans l'eau d'alimentation (bien qu'un système d'osmose inverse ne puisse garantir l'élimination totale des bactéries et des virus). Une membrane d'osmose inverse retient les contaminants en fonction de leur taille et de leur charge. Tout contaminant dont la masse moléculaire est supérieure à 200 est susceptible d'être retenu par un système d'osmose inverse fonctionnant correctement (à titre de comparaison, la masse moléculaire d'une molécule d'eau est de 18). De même, plus la charge ionique du contaminant est élevée, plus il aura de chances de ne pas traverser la membrane d'osmose inverse. Par exemple, l'ion sodium, monovalent, est moins bien retenu par la membrane d'osmose inverse que l'ion calcium, qui est divalent. C'est également pourquoi un système d'osmose inverse n'élimine pas efficacement les gaz tels que le CO₂ : ils sont faiblement ionisés (chargés) en solution et ont une masse moléculaire très faible. Comme un système d'osmose inverse n'élimine pas les gaz, l'eau de perméat peut avoir un niveau de pH légèrement inférieur à la normale en fonction des niveaux de CO2 dans l'eau d'alimentation, car le CO2 est converti en acide carbonique.

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