Ved hemodialyse blir pasienten koblet til en dialysemaskin. Via et slangesystem føres blodet gjennom et filter i maskinen. Avfallsstoffer og overskuddsvæske fra kroppen fjernes, og det rensede blodet føres tilbake til pasienten. 

For å gjennomføre behandlingen må man ha en blodtilgang. Det vanlige er å bruke en AV-fistel, som er en arterie og en vene som er operert sammen på armen. Dette skaper en kraftig åre som gir god blodtilførsel. Noen pasienter har et dialysekateter som er operert inn, og får behandling via dette.

Hemodialyse brukes også i behandling av akutte forgiftninger hvor nyrefunksjon er truet.