Cechą charakterystyczną hemodializy (HD) jest to, że leczenie ma charakter pozaustrojowy – krew jest przepompowywana w celu oczyszczenia przez filtr (dializator) przy pomocy zestawu skomplikowanych urządzeń sztucznej nerki.

W trakcie dializy objętość krwi pozostająca poza organizmem to mniej więcej 1 filiżanka herbaty. Skuteczne dializowanie musi być prowadzone w sesjach trwających co najmniej 4 godziny każda, zwykle co drugi dzień.

W urządzeniu filtrującym krew przepływa przez bardzo cienkie kapilary (rurki) o gąbczastej powierzchni (jest to tzw. błona dializacyjna/błona filtrująca).

W trakcie procesu filtracji z krwi usuwane są toksyny (metabolity), które są substancjami o niewielkich cząsteczkach, natomiast wielkość porów w membranie filtrującej nie pozwala na usuwanie większych, ważnych dla funkcjonowania organizmu elementów, takich jak krwinki czy białka. Oczyszczona krew wraca
z powrotem do układu krążenia, czyli do organizmu pacjenta.

Błona dializacyjna to ciało obce i w związku z tym jest bardzo istotne, aby nie powodowała ona objawów ubocznych, takich jak swędzenie, gorączka oraz reakcje alergiczne, u dializowanych chorych. Obecnie stosuje się wysoce biozgodne (biokompatybilne) błony zasadniczo wolne od wspomnianych zagrożeń. Najczęściej stosowanym rodzajem błony jest membrana polisulfonowa (Polysulfone®), której udoskonaloną wersją jest membrana typu Helixone®.

Aby krew mogła płynąć do dializatora i z dializatora z powrotem do układu krążenia konieczne jest wykorzystanie względnie dużego naczynia – takiego, którym przepływa wystarczająco dużo krwi. W tym celu niezbędne jest chirurgiczne wykonanie specjalnego dostępu do naczynia – najczęściej do jednego z naczyń przedramienia.