Podstawową zasadą reakcji elektrolitycznej ogniwa elektrolizy membranowej jest przekształcenie energii elektrycznej w energię chemiczną i elektroliza solanki w celu wytworzenia NaOH, Cl2 i H2, jak pokazano na powyższym rysunku. W komorze anodowej ogniwa (po prawej stronie rysunku) solanka jest jonizowana do Na+ i Cl- w ogniwie, przy czym Na+ migruje do komory katodowej (po lewej stronie rysunku) przez selektywną membranę jonową pod wpływem ładunku. Niższy Cl- generuje gazowy chlor pod wpływem elektrolizy anodowej. Jonizacja H2O w komorze katodowej staje się H+ i OH-, przy czym OH- jest blokowany przez selektywną membranę kationową w komorze katodowej, a Na+ z komory anodowej łączy się, tworząc produkt NaOH, a H+ generuje wodór pod wpływem elektrolizy katodowej.