In den Anodenraum wird gereinigte gesättigte Sole eingespeist, während in den Kathodenraum reines Wasser (ergänzt mit einer bestimmten Menge NaOH-Lösung) eingespeist wird. Beim Anlegen von elektrischem Strom entlädt sich Wasser an der Kathodenoberfläche, um H₂ zu erzeugen, und Na⁺-Ionen wandern durch die Ionenaustauschmembran vom Anodenraum zum Kathodenraum, was zur Bildung von NaOH im Katholyten führt; Gleichzeitig entladen sich Cl⁻-Ionen an der Anodenoberfläche und erzeugen Cl₂. Die aus dem Anodenraum austretende verbrauchte Sole kann recycelt werden, nachdem ihre Konzentration durch Zugabe von Salz wiederhergestellt wurde.
Anstelle von NaCl-Lösung wird reines Wasser in den Kathodenraum injiziert, da die dort stattfindende Reaktion 2H⁺ + 2e⁻ → H₂ ↑ ist, während Na⁺-Ionen durch die Ionenaustauschmembran wandern und eine NaOH-Lösung bilden. Zu Beginn der Elektrolyse wird dem Wasser im Kathodenraum jedoch häufig eine bestimmte Menge NaOH-Lösung zugesetzt, um die elektrische Leitfähigkeit der Lösung zu erhöhen, ohne neue Verunreinigungen einzuführen.