離子交換是基于離子交換樹脂上可離解的離子與流動相中具有相同電荷的離子之間進行的可逆交換。在一個短的時間，樣品離子會附著在固定相中的固定電荷上。由于樣品離子對固定相親和力的不同，使得樣品中多種組分的分離成為可能是離子色譜的主要分離形式，用于親水陰、陽離子的分離。
離子交換色譜可以分析弱保留陰離子，主要包括F-、一價無機陰離子、一元羧酸和一些弱離解組分，如HCO3-、CN-、和S2-等。同時，還可分析易極化的無機陰離子，如I-，SCN-，ClO4-，S2O32-，以及含氧金屬陰離子MoO42-，WO42-、CrO42-和多聚磷酸鹽等。對小分子的有機酸類也有很好的分析效果。
 

這種分離模式包括Donnan排斥、空間排斥和吸附過程。Donnan排斥作用——Donnan膜的負電荷層排斥*離解的離子型化合物，僅允許未離解的化合物通過吸附—保留時間與有機酸的烷基鍵的長度有關。

由于Donnan排斥，*離解的強電解質受排斥而不被固定相保留，而未離解的化合物不受Donnan排斥，能進入樹脂的內微孔，分離是基于溶質和固定相之間的非離子性相互作用。對于二元、三元羧酸的分離，空間排斥則起主要作用。在這種情況下，保留主要取決于樣品分子的大小。