人工透析機需從病人動脈將血液引流出來，在人工腎經過透析后再從靜脈輸入病人體內。它的核心部分是一種用高分子材料（稱為膜材料）制成的透析器。這種膜材料具有半通透特性，可代替腎小球以實現其毛細血管壁的濾過功能，達到血液凈化的目的。現用的膜材料有用化學方法從棉花中提取的再生纖維素和改良纖維素，以及一些高分子聚合物如聚丙烯睛，聚酰胺，乙烯乙烯醇共聚物，聚甲基丙烯酸甲酯等。當今世界上有300多種產品的人工腎，所用透析膜材料有30多種。
人工腎是應用的膜分離技術原理。根據Gibbs-Donnan膜平衡原理，用半透膜將引出 人體外的血液與專門配制的透析液隔開。由于血液和透析液所含溶質濃度的不同，及其所形成的滲透濃度差，使包含代謝產物的溶質（如尿素，肌肝，尿酸，以及廢物硫酸鹽，酚和過剩離子Na+,K+,Cl-），在濃度梯度的驅動下，從濃度高的血液一側，通過半透膜向濃度低的透析液一側移動（稱為彌散作用）；而水分則從滲透濃度低的一側向濃度高的一側轉移（稱為滲透作用），最終實現動態平衡，達到清除人體代謝廢物和糾正水，電解質和酸堿平衡的治療目的。