生物膜法是使微生物附著在載體表面上，污水在流經載體表面過程中，通過有機營養物的吸附、氧向生物膜內部的擴散以及在膜中所發生的生物氧化等作用，對污染物進行分解。在生物膜反應器中，污染物、溶解氧及各種必須營養物首先要經過液相擴散到生物膜表面，進而到生物膜內部;只有擴散到生物膜表面或內部的污染物才能有機會被生物膜微生物所分解和轉化，zui終形成各種代謝產物(CO2、水等)。隨著時間延長(30天左右)，生物膜沿水流方向分布及微生物組成及對有機物降解功能達到平衡和穩定的狀態，生物膜成熟，形成有機物、細菌、原生動物、后生動物的復合生態系統。

在生物膜的zui外層形成以好氧型微生物為主體的生物膜層，而在好氧層的深部由擴散作用制約了溶解氧的滲透往往形成厭氧區。在這里，由于厭氧菌的作用，硫化氫、氨和有機酸等物質容易積累。但是，如果體系供氧充分，厭氧層的厚度會被壓縮至某一限度，形成的有機酸在異養菌的作用下轉化為CO2和水，而氨及硫化氫在自養菌作用下被氧化成各種穩定鹽類。隨著厭氧代謝產物增多，固著力減弱，生物膜老化、脫落。