Die Energiegewinnung beruht auf dem physikalischen Prinzip der Osmose. Werden zwei Salzlösungen unterschiedlicher Konzentration über eine semipermeable Membran in Kontakt gebracht, die nur das Wasser (allg. Lösungsmittel), nicht jedoch die gelösten Salze hindurchtreten lässt, so kann ein Konzentrationsausgleich nur dadurch erreicht werden, dass Wasser von der niedriger in die höher konzentrierte Lösung übertritt. Dadurch baut sich auf dieser Seite ein Druck auf, der genutzt werden kann, um eine Turbine anzutreiben und Strom zu erzeugen. Bei einem Salzgehalt von 3,5 % ergibt sich bei einer Temperatur von 10°C ein osmotischer Druck von rund 28 Bar. Da das Salzwasser durch das eindringende Süßwasser ständig verdünnt wird, und um so stärker, je effizienter und schneller die Osmose läuft, kann im Dauerbetrieb nur ein deutlich geringerer Druck von derzeit etwa 15 Bar erreicht werden.
Die technische Realisierung erfordert spezielle Membranen, die Salze effizient zurückhalten, aber gleichzeitig gut durchlässig für Wasser sind. Wegen des Mangels an geeigneten Membranen konnte das Prinzip in den 1970er Jahren nicht realisiert werden. Seit Mitte der 1990er Jahre gibt es neue Ansätze, um geeignete Membranen aus Polymeren zu entwickeln.
Das Funktionsprinzip des Osmosekraftwerks entspricht der Umkehrung des Prozesses, der in einem Typ von Meerwasserentsalzungsanlagen abläuft: Bei der Meerwasserentsalzung nach dem Prinzip der Umkehrosmose muss Energie aufgewendet werden, um Süßwasser und Salzwasser zu trennen, während im Osmosekraftwerk aus der Mischung von Süß- und Salzwasser Energie gewonnen wird.
Der direkte Energielieferant für ein Osmosekraftwerk ist der unterschiedliche Salzgehalt (der Salzgradient) zweier Lösungen, die dazu tendieren, ihre Konzentrationen anzunähern. Im Unterschied zu konventionellen Wasserkraftwerken ist die treibende Kraft bei der Energiegewinnung also nicht die potenzielle Energie (wie bei Speicherkraftwerken) oder die kinetische und potenzielle Energie (wie bei Laufwasserkraftwerken) großer Wassermassen, sondern vielmehr die Steigerung der Entropie nach dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.
In einer indirekteren, übergeordneten Betrachtung liefert die Energie für ein Osmosekraftwerk die Sonne: Indem sie durch ihre Strahlung zur Verdunstung von Wasser aus dem Meer beiträgt, ermöglicht sie die Trennung von (im Meer verbleibendem) Salzwasser und (verdunstetem) Süßwasser. Das verdunstete Wasser fließt über Wolkenbildung, Niederschläge und Flüsse zurück ins Meer, wo bei der erneuten Durchmischung diejenige Energie in einem Osmosekraftwerk teilweise zurückgewonnen werden kann, die ursprünglich von der Sonne aufgebracht worden war. Die Osmoseenergie wird also von der Sonne „nachgefüllt“ und ist nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich. Sie ist daher eine Form der Erneuerbaren Energien, was durch ihre Erwähnung im deutschen Erneuerbare-Energien-Gesetz (unter dem Namen Salzgradientenenergie, s. §3) bereits vor ihrer technischen Realisierung offizielle Anerkennung gefunden hat.