Hay otro fenómeno que se presenta cuando dos masas de agua con diferentes concentraciones de solutos están separadas por una membrana semipermeable, que no permite el paso de moléculas de soluto, pero sí de solvente. Se puede imaginar a la membrana como constituida por un material con poros, los que tienen un tamaño tal, que permiten el paso de las moléculas de agua pero no de los solutos que son más grandes.
La Figura 2.6 representa un sistema con las condiciones descritas. Hay una membrana semipermeable separando dos compartimentos A y B. En un estado inicial, el soluto en el compartimento B está a mayor concentración que en A. Por lo tanto, el potencial hídrico en B es menor que en A. Como solamente el agua puede atravesar la membrana, va a ocurrir un desplazamiento de ésta de la región con mayor potencial (A) a la región con menor potencial (B). A medida que el agua se mueve de A hacia B, el soluto que está en el lado B se diluye aumentando su potencial y el del lado A se concentra, disminuyendo su potencial. Cuando el sistema alcanza el equilibrio, los potenciales hídricos en los dos lados de la membrana son iguales y ya no hay movimiento neto de agua.
Al fenómeno del transporte de agua a través de una membrana semipermeable, que separa dos soluciones de distinta concentración se le llama ósmosis.
La ósmosis es un proceso que ocurre espontáneamente, y por lo tanto, el estado inicial, en el que existen regiones con mayor concentración, es un estado más inestable (con mayor energía) que el estado final, en donde la concentración de soluto es igual en los dos compartimentos que separan la membrana, de tal manera que se tiene menos energía. Por supuesto, la ósmosis es un proceso exergónico.