根据海水中盐溶质与水溶剂的分离过程，海水淡化方法基本上分为两大类：一类是从海水中取淡水，有蒸馏法、反渗透法、水合物法、溶剂萃取法等；另一类是从海水中去除盐分，有电渗析法、离子交换法和压渗法等。人类最早开发的海水淡化方法有两种，即冷冻法和蒸馏法。随着科学技术日新月异的发展和研究开发的广泛深入开展，至今已有海水淡化技术20多种，主要包括蒸馏法（热法）、膜法、冷冻法、露点蒸发法、水合物法、溶剂萃取法、离子交换法、核能法、太阳能法、风能法、潮汐能法，以及水电联产、热膜耦合集成的组合工艺等。
虽然海水淡化技术种类繁多，但真正形成产业规模的常用方法是多级闪蒸法、反渗透法、多效蒸馏法和压汽蒸馏法。其中又以前三种方法为主。多级闪蒸法具有技术成熟、运行可靠、装置产量大等优点，但能耗偏高；反渗透法具有无相变、设备简单、易于维护、投资少、能耗低等优点，但海水预处理要求高；多效蒸馏法具有节能、海水预处理要求低、淡化水品质高等优点，但造水比相对较低。
总之，各种海水淡化方法都有其优点和缺点，应基于每个项目的自身特点，充分考虑客观条件与安装场所的限制等综合因素，根据工程规模、海水水质、淡化水用途、能源消耗、成本付出、地理环境、气候条件等实际情况而定。
1．蒸馏法
蒸馏法又称热法，是将海水变成蒸汽，冷却蒸汽后得到高纯度淡水的方法。蒸馏法主要分为多级闪蒸、多效蒸发和压汽蒸馏等方法。
（1）多级闪蒸（MSF）
多级闪蒸是多级闪急蒸馏法的简称。作为一种海水淡化方法，其技术原理最早于1957年由英国学者R．S．Silver提出，由于它具有可靠性高、防垢性能好、易于大型化等优点，因而自诞生之日起发展迅猛，一跃成为海水淡化技术中最主要的角色，尤其在中东地区得到相当广泛的应用。
多级闪蒸是将热海水突然减压，产生蒸汽并冷却得到淡水的物理过程。经过预处理的海水加热到一定温度后进入闪蒸室，由于该闪蒸室中的操作压力控制在低于热海水温度所对应的饱和蒸汽压，所以热海水在进入闪蒸室后即成为过热水而部分急速汽化，从而使热海水自身的温度降低，所产生的蒸汽经原水冷却及冷凝后即为所需的淡水；另一部分海水温度降低，流入另一个压力较低的闪蒸室，重复蒸发和降温的过程。将多个闪蒸室串联起来，室内压力会逐级降低，海水逐级降温，因而可连续产出淡化水。
实践证明，多级闪蒸技术具有设备简单可靠、运行安全稳定、适用范围广、防垢性能好、操作弹性大、淡化水质优、易于规模化，以及可利用低位热能和废热等独特优势，是海水淡化工业中最成熟的技术，尤其适合大型和超大型淡化装置。多级闪蒸技术存在以下不足之处：由于工艺流程需要进行大量海水的循环和流体的输送，传热面积大，而且传热管内流动的是压力较高的原料盐水，外侧冷凝的是蒸汽，因此装置占地面积大，操作温度高，设备的腐蚀和结垢速度快，动力消耗大，导致装置投资费用、设备运行能耗和操作成本的“三高”。此外，一旦传热管腐蚀穿孔，盐水将会泄漏到蒸汽侧，对产品水造成污染。
（2）多效蒸发（ME）
多效蒸发是海水淡化技术中较早开发的一种，在20世纪60年代以前，一直是最主要的商业化海水淡化技术。多效蒸发利用减压的方法使后效蒸发器的操作压力和溶液的沸点均低于前效蒸发器，由前效蒸发器引出的二次蒸汽作为后效蒸发器的加热蒸汽，只要后者的蒸发室压力和溶液的沸点低于原来的蒸发器，则后效蒸发器的加热室就成为前效蒸发器的冷却器，从而实现多效式蒸发并得到蒸馏水。
多效蒸发器主要由闪蒸器、预加热器、第二冷凝器、混合冷凝器、加热器、减温减压器、蒸汽喷射泵、气液分离器、真空泵及循环泵等部件组成。多效蒸发器按用途可分为普通多效蒸发器和强制循环多效蒸发器。其工艺操作流程通常分为顺流式、逆流式和并流式三种。
应用实践表明，多效蒸发技术的优点有：传热系数和热利用效率高，能耗较低，所需的传热面积小；造水比较高，动力消耗低，操作弹性大；前置处理简单，化学药剂消耗较少，有利降低生产成本；系统的操作安全可靠，即便发生传热管泄漏，也仅仅降低产量而不会影响水质。主要缺点有：设备体积较大，装置费用较高；海水在加热表面上沸腾，容易在传热管壁上结垢，需要经常进行清洗和采用严格的防垢措施；生产规模较小，而且主要与发电站联运。
多效蒸发以其节能、低耗以及优良的性价比被广泛应用。多效蒸发近年在海水淡化领域中发展迅速，装置的规模日益扩大，成本日益降低，主要发展趋势为提高装置单机造水能力，采用廉价材料降低工程造价，提高操作温度和传热效率等。目前多效蒸发的研究集中于提高传热效率、制作材料、系统优化等方面。
（3）压汽蒸馏（VC）
压汽蒸馏法利用机械压缩机把海水蒸发所产生的二次蒸汽压缩、升压和升温，再作为加热和使海水蒸发的热源，所得蒸汽经冷凝得到淡水。自20世纪70年代以来，随着压汽技术水平的提高，特别是高效离心式压缩机的出现，克服了早年罗茨式压缩机质量大、功效低、规模小等问题，增强了系统可靠性和节能功效，压汽蒸馏法开始迅速发展，并成为应对能源危机严重挑战的技术。
实践表明，压汽蒸馏法的主要特点是在运行后将机械能转化为热能，不需要外部提供加热蒸汽的热源，并具有以下多方面的技术优势：操作运行以蒸汽作为热源，所需要的仅仅是电能，不需要外来冷却水，在特定条件下具有良好的节能效益；系统连贯，呈模块化，结构简单，设备紧凑；操作简单，调节方便；运行过程效率高，等效造水比可达15，可坚持长期无故障运行；压缩机抽取的蒸汽来源于蒸发器，同时增压后的蒸汽也在冷凝器中冷凝，从而得到源源不断的淡水；系统在较低的压力和温度下运行，可降低结垢和热损，换热效率高；由于设备系统在负压下运行，蒸发温度低，既可以利用工业废热作为预热海水的补偿热源，或直接利用蒸馏工业排出的热水，又可以利用太阳能、风能等可再生能源发电驱动压缩机；对海水预处理要求较低，可以避免水源的二次污染。主要缺点是压汽机造价较高，设备容易产生腐蚀现象，较难实现大规模产能，多为日产百吨级、千吨级的装置。
2．膜法
膜法海水淡化是以外界能量或化学位势之差为推动力，利用天然或人工合成的高分子薄膜将海水溶液中盐分和水分离的方法。根据推动力的来源可分为电渗析、反渗透等技术方法。
膜法作为一种新型海水淡化技术起步于20世纪50年代初，20世纪70年代实现商品化，如今已发展成为海水淡化的主流技术。与其他技术方法相比，膜法具有适用范围广、分离效率高、设备简单、操作方便、能耗低等优点。膜法海水淡化主要有反渗透（RO）等方法。
反渗透海水淡化法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开的方法。
反渗透海水淡化法有赖于其核心膜元件，以实现反渗透过程。反渗透膜是一种模拟生物半透膜制成的具有一定特性的人工半透膜，一般用高分子材料制成，如醋酸纤维素膜、芳香族聚酰肼膜、芳香族聚酰胺膜等，合成工艺可分为均相膜和非对称膜两类。膜的透过性与其自身的化学结构相关。
反渗透海水淡化技术发展很快，已成为目前脱盐技术中的佼佼者。与蒸馏法、冷冻法和电渗析等其他方法相比，反渗透技术具有以下特色：反渗透海水淡化过程不发生相变，因而是最节能的海水淡化方法，有利于节约能源，降低制水成本；设备简单，占地面积小，脱盐效率高；设施为单元组合式，建设规模可逐级扩大，便于推广应用；技术成熟稳定，工艺流程简单，操作方便，便于控制，可实现全自动化运行；建设周期短，设备投资省、风险小、效能高，淡化成本低；淡化副产物可利用的价值高，浓缩海水含盐量为原海水的2～3倍，有助于实现海水化学资源综合利用，从而大幅度提高经济效益。
目前反渗透海水淡化技术的主要发展趋势为降低膜的操作压力、优化原水预处理、提高淡化系统回收率和增强系统抗污能力等。
3．系统集成法
在淡水资源匮乏、能源资源短缺、环境污染严重的今天，应大力发展海水淡化，并加强节能减排和开发新能源。从当今全球的资源与能源战略层面考虑，若完全依靠消耗大量的能量去解决水资源短缺问题，实质上是将水资源问题转嫁到了同样严重的能源问题上。因此，实施水电联产和热膜耦合等多种技术集成，以实现不同能量利用系统之间资源的优化配置，是坚持水资源、能源及环境可持续利用的技术路线和有效途径，并将成为海水淡化技术的主要发展趋势。