Lorsqu'il y a une différence de concentration en solutés de part et d'autre de la membrane, le solvant a tendance à se déplacer de la solution moins concentrée vers la solution plus concentrée, afin d'équilibrer les concentrations de part et d'autre de la membrane. Cela se produit pour minimiser le potentiel chimique, qui est une mesure de l'énergie libre disponible dans le système.

Ce mécanisme est essentiel pour le maintien de l'équilibre hydrique à l'intérieur des cellules. Si une cellule est placée dans une solution hypotonique (plus diluée que le contenu de la cellule), elle peut gonfler à cause de l'entrée d'eau par osmose. À l'inverse, si une cellule est placée dans une solution hypertonique (plus concentrée), elle peut se déshydrater. L'osmose est également responsable du mouvement de l'eau à travers les plantes. Les racines absorbent l'eau d'une solution plus diluée du sol et la transportent vers les parties de la plante qui en ont besoin. 

L'osmose peut par ailleurs avoir des implications environnementales, notamment dans les écosystèmes d'eau douce et salée, où les mouvements d'eau influencent la distribution des organismes et des nutriments.