將患者的血液和透析液同時引進透析器（兩者的流動方向相反），利用透析器（人工腎）的半透膜，將血中蓄積的過多毒素和過多的水分清出體外，并補充堿基以糾正酸中毒，調整電解質紊亂，替代腎臟的排泄功能。
血液透析器俗稱人工腎，有空心纖維型、盤管型及平板型3種 。最常用的是空心纖維型 ，由1萬～1.5萬根空心纖維組成，空心纖維的壁即透析膜，具半透膜性質。血液透析時血液流入每根空心纖維內，而透析液在每根空心纖維外流過，血液的流動方向與透析液流動方向相反，通過半透膜原理清除毒物，通過超濾及滲透清除水分。
