薄膜生物反應器是於傳統活性污泥法曝氣池中加裝數組薄膜組合而成，操作時利用透膜壓力為驅動力將經過活性污泥處理過的混合液過濾而得到濾液。

薄膜生物反應器具有曝氣槽 (生物反應) 與二沉池 (固液分離) 之功能。藉由薄膜阻攔，可提高生物處理單元內污泥濃度，提升處理效能；經微/超濾膜之過濾後，產水內已無懸浮固體。

薄膜生物反應器可濃縮污泥而節省二沉池空間，轉作裝設再生水設備之用地，適合用在缺乏用地的廢污水處理廠。

依薄膜所在位置分成沉浸式（薄膜浸在曝氣池的污泥中）與外掛式（薄膜在曝氣池之外），又依薄膜型式分成中空絲式與平板式。