혼합가스를 막에 의하여 분리하는 것을 말한다. 이는 보통 두 가지 방법으로 대별된다. 하나는 다공질막의 구멍을 통과하는 기체 분자의 속도차를 이용하는 것이고, 다른 하나는 비다공질막으로의 기체분자의 용해도 계수(s)와 막으로의 확산계수(D)의 차를 이용하여 혼합가스를 분리하는 것이다. 다공질막에서 2성분 혼합가스의 이상 분리계수(ε)는 분자량 비의 역수의 제곱근(
)과 같다. 비다공질막에서는 투과계수의 비(P1/P2)와 같게 된다. 일반적으로 전자는 분리계수(ε)는 작지만 투과계수 P 는 크고, 반대로 후자는 투과계수 P 는 작지만 ε는 크다. 이 때문에 비다공질로는 분리에 직접 기여하는 치밀한 활성층을 얼마나 얇게 하느냐가 막 소재의 선택과 더불어 중요하다. 동일 소재로 스폰지상의 지지층의 위로 치밀층을 형성시킨 비대칭막, 이종소재(異種素材)를 치밀층으로 코팅한 복합막 등이 대표적이다. 한편, 다공질막은 혼합가스를 분리하기 때문에 구멍지름을 통상 수십～수백 Å으로 할 필요가 있다. 제법으로는 미분체를 소결시키고 소재중의 성분을 용출 또는 추출한 후 고에너지 중이온을 충돌시켜 구멍을 여는 방법 등이 있다. 막의 형상으로는 중공계, 평막이 있다. 실제로 막에 의해 혼합가스를 분리하는 경우는 이들을 용기 중에 넣고 모듈화 한다. 막에 의한 가스 분리의 실례로서 다공질막을 이용하여 UF6에서 U의 동위체 분리, 비다공질막을 이용하여 NH3 퍼지 가스로부터의 H2 회수, 합성가스 중의 H2와 CO의 농도 조정, 공기의 O2 부화, 천연가스 중 He의 농축, 바이오 가스 중 CH4와 CO2의 분리 등이 있다.