O sal é removido da água do mar por diferentes variedades de dois processos básicos: destilação, também conhecida como "térmica", e osmose reversa, também chamada de "membrana". A destilação envolve a fervura água do mar até evaporar, deixando o sal para trás e permitindo que o vapor d'água se condense e se acumule em outro lugar. A osmose reversa usa pressão para forçar a água do mar contra um filtro especializado ou membrana semipermeável com aberturas muito pequenas para permitir a passagem do sal dissolvido.
Os processos de destilação usados para a dessalinização incluem o método flash de múltiplos estágios, destilação de múltiplos efeitos e destilação por compressão de vapor. Os processos de membrana incluem osmose reversa, eletrodiálise e reversão da eletrodiálise. A destilação instantânea de vários estágios e osmose reversa são responsáveis pela maioria dos métodos de usinas de dessalinização em uso em todo o mundo. A maior usina de dessalinização do mundo, uma instalação integrada de energia e água, fica na Arábia Saudita. A maior parte do abastecimento doméstico de água produzida pela dessalinização da água do mar, cerca de 40 por cento, está em Israel.
Ambos os métodos de destilação e dessalinização por osmose reversa são caros. É utilizada uma grande quantidade de energia elétrica, sendo a destilação o maior consumidor de energia. A cogeração é uma possível solução para a questão do custo que aplica o excesso de calor produzido por uma usina elétrica a um processo adicional, como a dessalinização, em uma instalação de duplo propósito. A maioria das usinas de cogeração que produzem água potável a partir da água do mar estão no norte da África ou no Oriente Médio, onde abundantes reservas de petróleo ajudam a compensar o acesso limitado à água potável.
