水環真空泵內裝有帶固定葉片的偏心轉子，水（液體）被拋向定子壁，之后形成與定子同心的液環。液環與轉子葉片一起構成可變容積的一種旋轉變容積真空泵。當葉輪順時針方向旋轉時，水被葉輪拋向四周，由于離心力的作用，水形成一個決定于泵腔形狀的近似于等厚度的封閉圓環。此時葉輪輪殼與水環之間形成一個月牙形空間，而這一空間又被葉輪分成和葉片數目相等的若干個小腔。葉輪在旋轉過程中，前半周期小腔容積由小變大，且與端面上的吸氣口相通，氣體被吸入；后半周期小腔容積由大變小，使氣體被壓縮；當小腔與排氣口相通時，氣體被排出泵外。隨著葉輪的穩定轉動，吸排氣過程連續不斷地進行，因此可以連續不斷地抽吸氣體。為了保持恒定的水環，在運動過程中需要不斷向泵內供水。
此外，水環真空泵在工作時，還可以通過水對氣體進行冷卻，以降低氣體溫度，從而將高溫氣體壓縮成高密度流體。氣體在壓力作用下受到葉輪的旋轉力推動，沿葉輪的旋轉方向螺旋上升，并被排放出真空泵。