EDI膜堆是由夾在兩個電極之間一定對數的單元組成。在每個單元內有兩類不同的室：待除鹽的淡水室和收集所除去雜質離子的濃水室。淡水室中用混勻的陽、陰離子交換樹脂填滿，這些樹脂位于兩個膜之間：只允許陽離子透過的陽離子交換膜及只允許陰離子透過的陰離子交換膜。 樹脂床利用加在室兩端的直流電進行連續地再生，電壓使進水中的水分子分解成 H+及 OH-，水中的這些離子受相應電極的吸引，穿過陽、陰離子交換樹脂向所對應膜的方向遷移，當這些離子透過交換膜進入濃室后， H +和 OH-結合成水。這種 H+和 OH-的產生及遷移正是樹脂得以實現連續再生的機理。

當進水中的 Na+及 CI-等雜質離子吸咐到相應的離子交換樹脂上時，這些雜質離子就會發生象普通混床內一樣的離子交換反應，并相應地置換出 H+及 OH-。一旦在離子交換樹脂內的雜質離子也加入到 H+及 OH-向交換膜方向的遷移，這些離子將連續地穿過樹脂直至透過交換膜而進入濃水室。這些雜質離子由于相鄰隔室交換膜的阻擋作用而不能向對應電極的方向進一步地遷移，因此雜質離子得以集中到濃水室中，然后可將這種含有雜質離子的濃水排出膜堆。