蒸馏法是海水淡化的一种古老方法，尽管技术不断进步，但它依然占据主导地位。其原理类似于海水受热蒸发形成云，遇冷后形成雨，而雨是无咸味的淡水。根据能源、设备和流程的不同，蒸馏法分为设备蒸馏法、蒸汽压缩蒸馏法和多级闪急蒸馏法等多种。
冷冻法通过冻结海水使其结冰，从而分离出淡水和盐分。虽然冷冻法消耗大量能源且得到的淡水味道不佳，但其在某些地区仍有应用价值。反渗透法是1953年开始采用的一种膜分离技术，其最大优点是节能。反渗透法通过半透膜将海水与淡水隔开，海水中的纯水会反渗透到淡水中。随着技术进步，反渗透海水淡化技术迅速发展，工程造价和运行成本持续降低。
太阳能法利用太阳能进行蒸馏，是早期人类利用自然能源进行海水淡化的方法之一。盘式太阳能蒸馏器因其结构简单、取材方便，至今仍在广泛应用。太阳能海水淡化技术具有安全、环保等优点，逐渐受到重视。
低温多效蒸馏技术是蒸馏法中最节能的方法之一，近年来发展迅速，装置规模扩大，成本降低。主要发展趋势包括提高装置单机造水能力，采用廉价材料，提高操作温度和传热效率等。
多级闪蒸技术通过加热后的海水在多个压力逐渐降低的闪蒸室中蒸发，将蒸汽冷凝为淡水。该技术成熟、运行安全，主要发展趋势包括提高单机造水能力，降低单位电力消耗，提高传热效率等。
电渗析法的关键在于新型离子交换膜的研制，将具有选择透过性的阳膜和阴膜交替排列，组成多个隔室，实现海水淡化。电渗析法不仅用于淡化海水，还广泛应用于化工、医药、食品等行业。
压汽蒸馏技术通过海水预热后进入蒸发器，二次蒸汽经压缩提高压力后引入蒸发器的加热侧，蒸汽冷凝后作为产品水引出，实现热能循环利用。
露点蒸发淡化技术基于载气增湿和去湿的原理，同时回收冷凝去湿的热量，传热效率受混合气侧的传热控制。
水电联产和热膜联产技术是通过海水淡化与电力、热能联产联供，实现能源高效利用和降低海水淡化成本。目前，世界上最大的热膜联产海水淡化厂是阿联酋富查伊拉海水淡化厂，日产海水淡化水量为45.4万立方米。
