血液透析では，患者の血液をポンプで血液透析器に送り込むが，透析器は中空糸でできた細管の束またはサンドイッチ状に平行に挟んだ半透膜シートで構成される2つの液体コンパートメントを有する。いずれの構造においても，第1のコンパートメントの血液は半透膜の片側に沿ってポンプで送られ，膜を隔てた他方では電解質輸液（透析液）が別個のコンパートメントで血液とは反対方向にポンプで送られる。（その他の腎代替療法［RRT］については，腎代替療法の概要を参照のこと。）
血液と透析液の間の溶質の濃度勾配により，患者の血清溶質に，尿素窒素とクレアチニンの減少，重炭酸塩の増加，ナトリウム，クロール，カリウム，マグネシウムの平衡といった望ましい変化がもたらされる。透析液のコンパートメントは血液コンパートメントと比較して陰圧に保たれており，また浸透圧も高く，これにより血流側への透析液の濾過を防ぎつつ，体内の過剰な水分を除去できる。透析された血液は，その後患者の体内に戻される。
透析機器内での血液凝固を予防するため，通常は血液透析中は患者に抗凝固薬が全身投与される。しかしながら，血液透析治療は，透析回路への局所的な抗凝固薬の使用（ヘパリンまたはクエン酸三ナトリウムを使用）や生理食塩水でのフラッシュ（生理食塩水50～100mLで15～30分毎に透析回路の凝血塊を除去する）により行うこともある。
血液透析の直接の目的は以下の通りである：
水・電解質バランス異常の是正
毒性物質の除去
腎不全患者での長期的目標は以下の通りである：
患者の機能的状態，快適性，および血圧の最適化
尿毒症の合併症予防
生存期間の延長
血液透析の至適「用量」は確立されていないが，大半の患者は3～5時間，週3回で良好に経過する。各セッションの適切性を評価検討する1つの方法は，各セッションの前後で血中尿素窒素（BUN）を測定することである。BUN値が透析前と比較して65％以上低下（［透析前BUN − 透析後BUN］/透析前BUN × 100％が65％以上）すれば，セッションが十分であったことが示唆される。専門医は，より細かな計算を行う他の式（Kt/V値 ≥ 1.2など）を採用することがある（Kは血液透析器の尿素クリアランス［mL/min］，tは透析時間［min］，Vは尿素の分布容積［体内総水分量にほぼ等しい］［mL］）。血液透析量の増加は，透析時間，血流量，膜表面積，膜の空隙率を上昇させることで可能である。以下のいずれかを有している患者では，夜間の血液透析セッション（6～8時間，3～6日/週）および短時間（1.5～2.5時間）の毎日のセッションが，可能な場合は選択的に用いられる：
透析セッション間での過剰な体液増加
透析中の頻回の低血圧
血圧コントロール不良
その他の方法ではコントロール困難な高リン血症
これらの毎日のセッションは，患者が自宅で血液透析を実行可能な場合は経済的に最も実行可能性が高い。
血液透析が行われる環境
医療施設内で行う血液透析は米国で最も一般的な種類の血液透析である。ほとんどの場合，週3回，1回につき3～5時間かけて行われる。医療施設内で行う血液透析の主な利点は，透析スタッフが透析治療を完全に管理できることである。透析技師が，動静脈瘻にカテーテルを挿入し，除水量を決定し，透析看護師および腎臓専門医の監督下で透析治療全体を行う。
医療施設での夜間血液透析の場合は，週3回，1回につき6～8時間かけて行われる。この方法は，水分摂取量が多い患者，血圧が低い患者，またはリンのコントロールが困難な患者に最も適している。またこの方法は，日中働いており，在宅透析を行いたくない人にとっても魅力的である。
在宅血液透析は医療施設内で行う血液透析と同じように行うことが可能である。在宅血液透析を受けている患者は，医療施設内で行う血液透析の場合と比較して，生存期間が長いほか，高血圧のコントロール，リンおよび水分量のコントロール，さらには生活の質も良好である。在宅血液透析は，最も一般的には週5～7日，1回につき約2時間行われる。しかしながら，在宅血液透析は週3回の日中のスケジュールまたは夜間のスケジュールも可能である。ほとんどの在宅血液透析プログラムでは，助けが必要な場合に手助けができるケアパートナーが必要である。腹膜透析と同じく，在宅血液透析では医療施設内で行う血液透析と比べて，より大きな患者の関与が必要になる。
透析のバスキュラーアクセス
外科的に作製された動静脈瘻（望ましい）
中心静脈カテーテル
血液透析は通常は外科的に作製された動静脈瘻を介して施行される。
動静脈瘻が未作製であるか使用の準備が整っていない，または動静脈瘻の作製が不可能な場合は，透析に中心静脈カテーテルを用いることができる。中心静脈カテーテルの主な短所は，口径が相対的に小さく，至適なクリアランスを得るのに十分な血流量が得られない点と，カテーテル挿入部位の感染および血栓症のリスクが高い点である。血液透析のための中心静脈カテーテルは，右内頸静脈を用いることで最良の結果が得られる。大部分の内頸静脈カテーテルは，皮膚の厳重な無菌的処置が行われ，カテーテルが血液透析のためにのみ使用されるならば，2～6週間有用である。繊維性カフ付き皮下トンネル型カテーテルは，寿命がさらに長く（1年後に29～91％が機能的），動静脈瘻の作製が不可能な患者に有用なことがある。
外科的に作製された動静脈瘻は，耐久性が高く，感染の可能性も低いため，中心静脈カテーテルよりも望ましい。しかし，それらもまた合併症（血栓症，感染，動脈瘤，仮性動脈瘤）を引き起こす傾向にある。新たに作製された動静脈瘻が成熟して使用可能となるまでには，2～3カ月かかる。しかしながら，動静脈瘻の修復にはさらに時間がかかるため，慢性腎臓病患者では，透析が必要になると予想される時点の6カ月以上前に動静脈瘻を作製しておくのが最善である。外科的手技は，橈骨，上腕または大腿の動脈を近隣の静脈に端側吻合する。近くの静脈がアクセスの作製に適さない場合は，人工血管が使用される。静脈の状態がよくない患者に対しては，伏在静脈の自家移植もまた選択肢である。
バスキュラーアクセスの合併症
バスキュラーアクセスの合併症には以下のものがある：
感染症
狭窄
血栓症（しばしば狭窄流路で発生）
動脈瘤または仮性動脈瘤
これらの合併症は，血液透析の質を有意に制限し，長期の合併症発生率および死亡率を上昇させ，また頻度が高いことから，患者と医療従事者は，これらを示唆する変化に注意する必要がある。これらの変化には，疼痛，浮腫，紅斑，アクセス部の皮膚損傷，アクセス部の血管雑音および脈拍欠損，アクセス付近の血腫，透析用カニューレの穿刺部位からの出血が長引く場合などがある。感染症の治療は抗菌薬，手術，またはその両方による。
シャントの機能不全の前兆は，超音波希釈法による血流量の連続測定，熱もしくは尿素希釈法，または静的静脈チャンバー圧の測定によりモニタリングすることが可能である。通常，これらの検査の1つを月1回以上の頻度で施行することが推奨される。狭窄，血栓症，仮性動脈瘤，または動脈瘤の治療には，血管形成術，ステント術，または外科手術を施行する場合がある。
透析の合併症
合併症の一覧を腎代替療法の合併症の表に示す。
透析の最も頻度の高い合併症は以下のものである：
低血圧
低血圧の原因は多岐にわたり，水分の急速すぎる除去，細胞膜を通した浸透圧による液の移動，透析液内の酢酸，熱に関連した血管拡張，アレルギー反応，敗血症，および基礎疾患（例，自律神経性ニューロパチー，駆出率の低下した心筋症，心筋虚血，不整脈）などがある。
その他の頻度の高い合併症としては以下のものがある：
痙攣
そう痒
悪心および嘔吐
頭痛
胸痛および背部痛
ほとんどの場合，これらの合併症の原因は不明であるが，初回使用症候群（患者の血液が血液透析器のキュプロファン膜もしくはセルロース膜に曝される場合）または透析不均衡症候群（尿素およびその他の浸透圧調節物質が血清から急に除去されるため，液体が浸透圧により脳内に移動することによって引き起こされると考えられている症候群）の一部である場合がある。透析不均衡症候群の重症例では，見当識障害，不穏，霧視，錯乱，および痙攣発作が生じ，死に至ることもある。
透析関連アミロイドーシスは長年血液透析を受けている患者で発生し，手根管症候群，骨嚢胞，関節炎および頸部脊椎関節症がみられる。透析関連アミロイドーシスは，今日広く使用されている高流量血液透析器では発生率が低く，これはこの種の血液透析器ではβ2-ミクログロブリン（アミロイドーシスを引き起こすタンパク質）がより効果的に除去されるためと考えられている。
予後
血液透析依存患者の全体としての補正後年間死亡率は約17％である。5年生存率は，糸球体腎炎患者と比較して糖尿病患者で低い。死亡は一般的にほとんどが心血管疾患に起因し，その次が感染症および血液透析の中止である。死亡率に関する透析以外の寄与因子は，併存症（例，副甲状腺機能亢進症，糖尿病，低栄養，その他の慢性疾患），高齢，および透析開始が遅すぎた場合などである。
