イオン交換法は、原水を円球状樹脂（イオン交換樹脂）でろ過し、水中のイオンは樹脂に固定されたイオンと交換する。一般的な2つのイオン交換方法は、それぞれ硬水軟化法と脱イオン法である。硬水軟化は主に逆浸透（RO）処理の前に水質硬度を低下させるための前処理プログラムである。軟化機の中の球状樹脂は、2つのナトリウムイオンが1つのカルシウムイオンまたはマグネシウムイオンを交換することで水質を軟化する。

イオン交換樹脂は水素イオンを用いて陽イオンを交換し、水酸化物イオンを用いて陰イオンを交換する、スルホン酸基を含むスチレンとジビニルベンゼンからなるカチオン交換樹脂は、水素イオンと接触する様々なカチオン（例えば、Na+、Ca 2+、Al 3+）を交換する。同様に、第4級アンモニウム塩を含むスチレンからなるアニオン交換樹脂は、水酸化物イオンと接触した各種アニオン（Cl−など）を交換する。陽イオン交換樹脂から放出された水素イオンは、陰イオン交換樹脂から放出された水酸化物イオンと結合して純水を生成する。

陰陽イオン交換樹脂は、いわゆる陰イオン交換床と陽イオン交換床に分けて、異なるイオン交換床に別々に包装することができる。カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を混合して、同一のイオン交換床に置くこともできる。いずれにしても、樹脂と水に電荷を帯びた不純物が樹脂上の水素イオン及び（又は）水酸化物イオンを交換し終わると、「再生」を行わなければならない。再生の手順は精製の手順とは逆に、水素イオン及び水酸化物イオンを用いて再生し、イオン交換樹脂に付着した不純物を交換する。

イオン交換法を他の精製水質法（例えば逆浸透法、濾過法、活性炭吸着法）と組み合わせて適用する場合、イオン交換法は精製システム全体において、非常に重要な一部となるだろう。イオン交換法はイオンを効果的に除去することができるが、ほとんどの有機物や微生物を効果的に除去することはできない。一方、微生物は樹脂に付着し、樹脂を培地とすることができ、微生物は急速に成長し、熱源を生成することができる。そのため、他の精製方法に合わせて設計して使用する必要があります。