El proceso o tratamiento de deionización sucede cuando el agua destilada pasa por una resina que están cargados eléctricamente o resina de intercambio de iones para así hacer la eliminación de sales y dejar el agua pura sin conductividad. Es importante destacar que el agua desionizada NO es necesariamente agua completamente pura ya que fácilmente le llega el CO2 al contacto con el medio ambiente.

El agua desionizada es similar al agua destilada, ya que se usa para experimentos científicos en el área química analítica donde es necesario trabajar con aguas que son pura y libre de iones cargados eléctricamente e interferentes.

El agua Milli-Q (Agua ultra pura con grado de laboratorio que ha sido pasada por filtros para obtener su pureza por osmosis inversa, cuyo nombre se debe al proceso o tratamiento comercial patentado de este tipo de agua), tiene generalmente, una resistividad de 18,2 MΩ·cm, o su inversa resistividad, y una conductividad eléctrica de 0,0055 μS·cm−1.
El agua desionizada puede cambiar su PH con facilidad al ser almacenada, debido a que absorbe el CO2 atmosférico. Este CO2, al disolverse, forma ácido carbónico, de ahí el aumento de la acidez, que puede eliminarse hirviendo el agua al punto de ebullición para obtener de forma condensada el agua destilada y después volver a entrar al proceso de deionización del agua para dejarla pura y libre de sales.
El agua desionizada es muy agresiva con los metales, debido a su pureza, PH y CO2 , por consiguiente, se usa normalmente plástico o vidrio para su almacenaje y manejo.
El proceso para obtener el agua desionizada no elimina partículas orgánicas sin carga tales como bacterias y virus, ni contaminantes orgánicos. El agua desionizada se usa en laboratorios donde la presencia de iones disueltos causaría interferencia en los análisis químicos.
El agua que se desea desionizar pasa normalmente por un sistema o sistemas de lecho mixto de resina de intercambio iónico; los iones que normalmente están sin filtros en el agua son absorbidos por esta resina. La resina normalmente están hechas de material sintético, en general son esferas compuestas de fuerte polímero sobre las que se ha fijado un ion.
Este ion, que esta fijo muy fuerte al sistema de la resina, no puede eliminarse ni reemplazarse ya que forma parte de la estructura del sistema. La resina se encuentra dentro de sistemas de iones con carga eléctrica contraria con la finalidad de que la resina mantenga su neutralidad eléctrica dentro de estos sistemas. El ion tiene la capacidad de salir e ingresar a los sistemas de la resina.
Cuando el agua ingresa a la resina ocurre el intercambio iónico, de tal forma que todos los iones presentes en el agua se quedan en la resina y los iones que entraron a los sistemas de intercambio iónico (hidronio e hidroxilo) se combinan fuerte para formar entonces el agua desionizada.
Existen diferentes sistemas de resina que pueden usarse para el intercambio iónico, las que se utilizan para intercambio de cationes se les llama resina catiónicas y la que se utiliza para intercambio aniónico se llama resina aniónicas. Esto lo que significa es que las resinas de intercambio catiónico y las resinas de intercambio aniónico deben fabricarse y funcionar de forma separada.