生物膜的形成过程是微生物吸附、生长、脱落等综合作用的动态过程。

生物膜的形成与载体表面性质(载体表面亲水性、表面电荷、表面化学组成和表面粗糙度)、微生物的性质(微生物的种类、培养条件、活性和浓度)及环境因素(pH值、离子强度、水力剪切力、温度、营养条件及微生物与载体的接触时间)等因素有关。

首先，悬浮于液相中的有机污染物及微生物移动并附着在载体表面上；然后，附着在载体上的微生物对有机污染物进行降解，并发生代谢、生长、繁殖等过程，并逐渐在载体的局部区域形成薄的生物膜，这层生物膜具有生化活性，又可进一步吸附、分解废水中有机污染物，直至***后形成一层将载体完全包裹的成熟的生物膜。

微生物膜的形成通常经历载体表面改良、可逆附着、不可逆附着、生物膜形成四个阶段，具体描述如下：

微生物在载体上的挂膜可分为微生物吸附和固着生长两个阶段。载体加入水体以后，先进入吸附期。有部分微生物和丝状物质已经附着在载体表面，附着了较多物质的位置往往是载体的凹处，不容易被水流剪切的地方。此时悬浮液中的微生物大量增长，出现较明显的一个污泥层。

经过不可逆附着以后，微生物在载体表面获得一个比较稳定的生长环境，在供氧和底物充足的情况下，吸附在载体上的污泥中的微生物很快就开始生长。

随着培养驯化时间的增长，在载体表面生长的生物膜也迅速增长，逐渐覆盖整个载体表面，并开始增厚。但生物膜的生长并不均匀，在载体比较突出的地方，生物膜比较薄，而凹处则会长出相当繁盛的菌落，可见水力剪切对生物膜的生长具有重要的影响。在载体表面附着生长的微生物种类也很繁多，除了累枝虫、钟虫外，还可观察到丝状菌、球菌、杆菌等，还有一些游泳性的细菌在活动。随着载体上附着了越来越多的生物膜，载体的表观密度逐渐会下降，变得更轻，更容易流态化，同时在下降区的载体下降速度有所变慢。

生物膜法是使微生物附着在载体表面上并形成生物膜，当污水流经载体表面时，污水中的有机物及溶解氧向生物膜内部扩散。膜内微生物在有氧存在的情况下对有机物进行分解代谢和机体合成代谢，同时分解的代谢产物从生物膜扩散到水相和空气中，从而使废水中的有机物得以降解。