Arbeidsprinsippet til klor-alkalione-utvekslingsmembranen er avhengig av dens unike kation--selektive permeabilitet. Membranen lar kationer-som Na⁺-og vannmolekyler passere fritt, samtidig som den effektivt blokkerer passasjen av andre ioner. Under elektrolyse mates høyrenset NaCl-løsning inn i den nedre delen av elektrolysecellen, mens vann føres inn i katoderommet. Ved påføring av elektrisk strøm gjennomgår Cl⁻-ioner i anoderommet utladning for å produsere klorgass, som slippes ut gjennom en rørledning på toppen av cellen. Samtidig migrerer Na⁺-ioner, ledsaget av et lite antall vannmolekyler, gjennom ionebyttermembranen- inn i katoderommet.
I katoderommet slippes H⁺-ioner ut for å danne hydrogengass, som også ventileres gjennom en separat rørledning på toppen av cellen. I mellomtiden forhindres OH⁻-ioner i å nå anoderommet av kation--utvekslingsmembranen; i stedet akkumuleres de i katoderommet og kombineres med Na+-ionene som migrerer fra anodesiden for å danne en NaOH-løsning. For å fylle på NaCl og vann som forbrukes under prosessen, mates renset saltvann kontinuerlig inn i anoderommet, mens vann tilsettes katoderommet for å regulere konsentrasjonen av NaOH-løsningen.