Um das Blut außerhalb des Körpers von harnpflichtigen Substanzen zu reinigen, wird mit einer Kanüle Blut aus einer Vene, meistens der Armvene, entnommen und mit einer Pumpe in einen Filter geführt. Damit über die Vene die notwendige Blutmenge abgenommen werden kann, erhält der Dialysepatient einen speziellen Gefäßzugang, auch "Shunt" genannt. Dazu ist ein kleiner operativer Eingriff nötig. Es wird eine dauerhafte Verbindung zwischen einer Arterie und einer Vene hergestellt, eine sogenannte arterio-venöse Fistel. Durch die direkte Verbindung zwischen der Arterie und der Vene wird der Blutfluss durch die Vene stark erhöht, sie weitet sich.
Die Hämodialyse ist ein technisch prinzipiell einfaches Verfahren. Der Filter, in den das dem Shunt entnommene Blut gepumpt wird, enthält eine halbdurchlässige Membran. Das Blut strömt auf der einen Seite dieser Membran entlang, auf der anderen fließt in entgegengesetzter Richtung eine sterile Flüssigkeit, das Dialysat. Zwischen den beiden Seiten der Membran besteht ein Konzentrationsunterschied, da auf der Blutseite die Stoffwechselprodukte in hoher Konzentration vorhanden sind. Diese gelangen nun aufgrund des Konzentrationsgefälles durch die Poren der Membran zur Gegenseite, dem Dialysat. Bei der Hämodialyse findet also vorrangig ein Konzentrationsausgleich der durchgängigen Substanzen zwischen den beiden Membranseiten statt.
Da das Blut unter einem höheren Druck als das Dialysat steht, wird auch Wasser von der Blutseite auf die Dialysatseite gepresst. Das gereinigte Blut gelangt nach Passage des Membransystems über den Shunt in den Körper des Patienten zurück. Zu diesem Zweck wird eine zweite Kanüle, stromabwärts der Entnahmekanüle gelegt.
