氣動隔膜泵之動作原理參考下圖。圖中左右兩邊各有一隔膜室，每一個隔膜室各有一軟質之隔膜在中間將隔膜室中的壓送室及空氣驅動部（空氣室）隔開并封閉起來。當壓縮空氣進入隔膜室中的空氣室時，隔膜即受壓往外推出，形成壓送行程，在壓送室的流體即受壓經上止回閥、匯流管，而后由泵出口流出。由于兩片隔膜中間已隔膜連桿相連，當一邊的隔膜往外推出向外壓送流體的同時，另一邊隔膜即向內收縮，進行相反的吸液行程，使相對的空間充滿液體。當隔膜到達行程終點之后，泵內之空氣分配閥將自動切換位置，使空氣得以切換進入另一隔膜室（空氣室），反向重復上述動作；兩邊的隔膜室將因呈現交替的壓送及吸液動作。