مرحله چهارم نوبت به کار فیلتر ممبران است. وظیفه این فیلتر حذف مواد محلول در آب به اندازه 0.0001 میکرون است. این فیلتر بیشتر با میکروب ها، ویروس های آب و ذرات معلق که از فیلترهای قبلی بازمانده اند، سروکار دارد. ذرات معلق مثل سیانید، منگنز، سدیم، سرب و ... .
طریقه کارکرد فیلتر ممبران به این صورت است. طی فرایندی به نام اسمز معکوس فرایند تصفیه آب روی می دهد. در اسمز، آب خالص از طریق یک غشای نیمه تراوا از محلولی با غلظت بیشتر تمایل دارد به محلولی با غلظت کمتر، نفوذ کند. اسمز معکوس عکس این فرایند است.
در دستگاه های تصفیه آب خانگی آب ناخالص که از غلظت بیشتری برخوردار است تمایل دارد از فیلتر ممبران عبور کند و به قسمتی که آب از غلظت کمتری برخوردار است برود (در اینجا منظور از غلظت همان ناخالصی ها و املاح مضر هستند)؛ اما پمپ با فشاری که وارد می کند این فرایند را برعکس می کند. یعنی باعث می شود آبی که از غلظت کمتری برخوردار است، خالص تر از قبل خود بشود. این فرایند همان اسمز معکوس است. این فرایند موجب می شود که آب از فیلتر تصفیه آب ممبران با 97% خلوص تصفیه شود.