Der Ionenaustausch ist eine reversible chemische Reaktion, bei der gelöste Ionen aus der Lösung entfernt und durch andere Ionen gleicher oder ähnlicher elektrischer Ladung ersetzt werden. Das Harz wird dabei nicht als chemischer Reaktant verbraucht; es wirkt vielmehr als physikalisches Medium, das die Ionenaustauschreaktionen vermittelt.
Das Harz selbst besteht aus organischen Polymeren, die ein Kohlenwasserstoffnetzwerk bilden. In dieser Polymermatrix sind Ionenaustauschstellen verteilt, an denen funktionelle Gruppen mit positiv geladenen Ionen (Kationen) oder negativ geladenen Ionen (Anionen) permanent gebunden sind. Diese funktionellen Gruppen ziehen Ionen entgegengesetzter Ladung bereitwillig an.
Zwei Familien dominieren die industrielle Praxis: Kationenharze mit sauren funktionellen Gruppen wie der Sulfonsäuregruppe und Anionenharze mit basischen Gruppen wie der quaternären Ammoniumgruppe. Die Wahl zwischen ihnen hängt davon ab, welches Ion entfernt werden muss.