Das technische Prinzip einer Kolbenmembranpumpe entspricht dem einer Kolbenpumpe: Die zu fördernde Flüssigkeit wird durch Kompression eines Kolbens aktiv verdrängt. Die Arbeitskammer ist dabei durch eine Membran abgetrennt. Der Kolben dringt somit nur in ein Arbeitsmedium ein, welches gegen eine Membran drück. Die damit verbundene Kompression wird auf das Fluid übertragen und drängt dieses aus der Arbeitskammer. Ventile verhindern den ungewollten Fluss in die falsche Richtung. Bei der Bewegung des Kolbens aus dem Pumpengehäuse heraus öffnet sich das Einlassventil und es wird Flüssigkeit in den Zylinder gesaugt. Fährt der Kolben zurück ins Gehäuse, öffnet sich das Auslassventil und das Medium wird aus der Pumpe gefördert.
Die Besonderheit der Membranpumpe besteht aus einer hermetisch dichten, leckagefreien, oszillierenden Membran, die den Medienraum gegenüber der Umgebung abdichtet. Bei besonders sicheren Doppel-Schlauchmembranpumpen ist diese Membran redundant ausgeführt: Im Pumpenkopf sind zwei ineinander liegende Schlauchmembranen eingespannt, die die Flüssigkeit umschließen und das hydraulische Ende des Antriebs damit doppelt abtrennen. Das Fördermedium durchströmt die Pumpe geradlinig und kommt nur mit dem Inneren der Arbeitskammer und den Rückschlagventilen in Kontakt. Erosion und Korrosion werden bei solchen Membranpumpen auf ein Minimum reduziert.
Wie bei üblichen Kolbenpumpen sind auch Kolbenmembranpumpen mit einem oder mehreren Pumpenköpfen verfügbar. Je nach Größe und Anzahl der parallel eingesetzten Arbeitskammern mit Membranen, erreichen sie mitunter auch sehr große Fördermengen und Drücke.