Phương pháp trao đổi ion là lọc nước thô bằng nhựa hình cầu (nhựa trao đổi ion), các ion trong nước sẽ trao đổi với các ion cố định trên nhựa. Hai phương pháp trao đổi ion phổ biến là làm mềm nước cứng và khử ion. Làm mềm nước cứng chủ yếu được sử dụng trước khi thẩm thấu ngược (RO) được xử lý để giảm độ cứng của chất lượng nước. Nhựa hình cầu bên trong máy làm mềm, làm mềm chất lượng nước bằng cách hai ion natri trao đổi một ion canxi hoặc ion magiê.

Nhựa trao đổi ion sử dụng các ion hydro để trao đổi cation, trong khi các ion hydrogen để trao đổi anion; Nhựa trao đổi cation được làm bằng styrene và diethylene benzene có chứa rễ sulfonate sẽ trao đổi các cation khác nhau (ví dụ Na+, Ca2+, Al3+) gặp phải bằng trao đổi ion hydro. Tương tự như vậy, nhựa trao đổi anion được làm bằng styrene có chứa muối amoni bậc bốn sẽ trao đổi các ion anion khác nhau (như Cl-) gặp phải bằng trao đổi ion hydrogen. Các ion hydro được giải phóng từ nhựa trao đổi cation được kết hợp với các ion hydrogen được giải phóng từ nhựa trao đổi anion để tạo ra nước tinh khiết.

Nhựa trao đổi ion âm dương có thể được đóng gói riêng biệt trong các giường trao đổi ion khác nhau, được chia thành cái gọi là giường trao đổi anion và giường trao đổi cation. Cũng có thể trộn nhựa trao đổi cation với nhựa trao đổi anion trong cùng một giường trao đổi ion. Dù ở dạng nào, khi nhựa và tạp chất tích điện trong nước trao đổi xong ion hydro và (hoặc) ion hydrogen trên nhựa, thì phải "tái sinh". Quá trình tái sinh vừa vặn trái ngược với quá trình tinh chế, sử dụng ion hydro và ion hydrogen để tái sinh, trao đổi tạp chất gắn liền với nhựa trao đổi ion.

Nếu phương pháp trao đổi ion được áp dụng kết hợp với các phương pháp tinh khiết chất lượng nước khác (ví dụ: thẩm thấu ngược, lọc và hấp phụ carbon hoạt tính), phương pháp trao đổi ion sẽ đóng một phần rất quan trọng trong toàn bộ hệ thống tinh khiết. Phương pháp trao đổi ion có thể loại bỏ ion một cách hiệu quả, nhưng không thể loại bỏ hầu hết các chất hữu cơ hoặc vi sinh vật. Vi sinh vật có thể gắn vào nhựa và sử dụng nhựa làm môi trường nuôi cấy, do đó vi sinh vật có thể phát triển nhanh chóng và tạo ra nguồn nhiệt. Vì vậy, cần phối hợp với các phương pháp tinh khiết khác để thiết kế và sử dụng.