イオン交換は、溶液中の溶解イオンを除去し、同一または類似の電荷を持つ他のイオンに置き換える可逆的な化学反応です。樹脂は化学反応体として消費されるのではなく、イオン交換反応を仲介する物理的な媒体として機能します。
樹脂自体は、炭化水素網目構造を形成する有機ポリマーで構成されています。このポリマーマトリックス中にはイオン交換サイトが分布しており、そこでは正電荷イオン（カチオン）または負電荷イオン（アニオン）を担う官能基が永続的に結合しています。これらの官能基は反対電荷のイオンを容易に引き寄せます。
工業実務で主流となるのは二つの系統です。スルホン酸などの酸性官能基を持つカチオン樹脂と、第四級アンモニウムなどの塩基性基を持つアニオン樹脂です。どちらを選ぶかは、除去すべきイオンによって決まります。