超純水機的離子交換法是以圓球形樹脂(離子交換樹脂)過濾原水，水中的離子會與固定在樹脂上的離子交換。硬水軟化和去離子法是其常見的兩種類型。硬水軟化主要是用在超純水機中反滲透(RO)處理之前，先將水質硬度降低的一種前處理程序。軟化機里面的球狀樹脂，以兩個鈉離子交換一個鈣離子或鎂離子的方式來軟化水質。離子交換樹脂利用氫離子交換陽離子，而以氫氧根離子交換陰離子；以包含磺酸根的苯乙烯和二乙烯苯制成的陽離子交換樹脂會以氫離子交換碰到的各種陽離子(例如Na+、Ca2+、Al3+)。同樣的，超純水機的工作原理以包含季銨鹽的苯乙烯制成的陰離子交換樹脂會以氫氧根離子交換碰到的各種陰離子(如Cl-)。從陽離子交換樹脂釋出的氫離子與從陰離子交換樹脂釋出的氫氧根離子相結合后生成純水。若將離子交換法與其他超純水機純化水質方法(例如反滲透法、過濾法和活性碳吸附法)組合應用時，則離子交換法在整個純化系統中，將扮演非常重要的一個部分。離子交換法能有效的去除離子，卻無法有效的去除大部分的有機物或微生物。而微生物可附著在樹脂上，并以樹脂作為培養基，使得微生物可快速生長并產生熱源。因此，需配合其他的純化方法設計使用。