Bei der Destillation wird das Wasser zum Sieden gebracht, der entweichende Dampf wird in Kondensatoren gekühlt und das salzfreie Wasser aufgefangen. Die im Rohwasser gelösten Salze sind nicht dampfflüchtig und verbleiben als konzentrierte Sole im Verdampfer.
Die Destillation ist wirtschaftlich nur vertretbar, wenn der Energieeinsatz durch durch Einsparungsmaßnahmen wie Energierückgewinnung und Vakuumtechnik reduziert wird. Großtechnische Destillationsanlagen werden für die Entsalzung von Meerwasser ab einem Salzgehalt von 20000 mg/l gebaut. Eine obere Einsatzgrenze gibt es für dieses Verfahren nicht.
Der Energiebedarf einer modernen MSF (multi-stage flash destillation) Anlage zur Meerwasserentsalzung liegt bei ca. 15 kWh/m³ Destillat. VC Systeme (vapor compression) arbeiten mit 8 - 11 kWh/m³.