蒸餾法是海水淡化的一種古老方法，盡管技術不斷進步，但它依然占據主導地位。其原理類似于海水受熱蒸發形成云，遇冷后形成雨，而雨是無咸味的淡水。根據能源、設備和流程的不同，蒸餾法分為設備蒸餾法、蒸汽壓縮蒸餾法和多級閃急蒸餾法等多種。冷凍法通過凍結海水使其結冰，從而分離出淡水和鹽分。雖然冷凍法消耗大量能源且得到的淡水味道不佳，但其在某些地區仍有應用價值。反滲透法是1953年開始采用的一種膜分離技術，其最大優點是節能。反滲透法通過半透膜將海水與淡水隔開，海水中的純水會反滲透到淡水中。隨著技術進步，反滲透海水淡化技術迅速發展，工程造價和運行成本持續降低。太陽能法利用太陽能進行蒸餾，是早期人類利用自然能源進行海水淡化的方法之一。盤式太陽能蒸餾器因其結構簡單、取材方便，至今仍在廣泛應用。太陽能海水淡化技術具有安全、環保等優點，逐漸受到重視。低溫多效蒸餾技術是蒸餾法中最節能的方法之一，近年來發展迅速，裝置規模擴大，成本降低。主要發展趨勢包括提高裝置單機造水能力，采用廉價材料，提高操作溫度和傳熱效率等。多級閃蒸技術通過加熱后的海水在多個壓力逐漸降低的閃蒸室中蒸發，將蒸汽冷凝為淡水。該技術成熟、運行安全，主要發展趨勢包括提高單機造水能力，降低單位電力消耗，提高傳熱效率等。電滲析法的關鍵在于新型離子交換膜的研制，將具有選擇透過性的陽膜和陰膜交替排列，組成多個隔室，實現海水淡化。電滲析法不僅用于淡化海水，還廣泛應用于化工、醫藥、食品等行業。壓汽蒸餾技術通過海水預熱后進入蒸發器，二次蒸汽經壓縮提高壓力后引入蒸發器的加熱側，蒸汽冷凝后作為產品水引出，實現熱能循環利用。露點蒸發淡化技術基于載氣增濕和去濕的原理，同時回收冷凝去濕的熱量，傳熱效率受混合氣側的傳熱控制。水電聯產和熱膜聯產技術是通過海水淡化與電力、熱能聯產聯供，實現能源高效利用和降低海水淡化成本。目前，世界上最大的熱膜聯產海水淡化廠是阿聯酋富查伊拉海水淡化廠，日產海水淡化水量為45.4萬立方米。