隔膜空气压缩机是一种气缸不需要润滑，空气不与任何润滑油接触，密封性好，压缩空气的纯净度高的往复式压缩机。隔膜压缩机主要由空气压缩室和油压室构成，汽缸内由一组膜片，缸盖和膜片之间所包含的空间构成气体压缩室（压缩机头的上部）。膜片的另一侧为油压室（压缩机头的下部，油压室的上部）。油压室内的活塞在缸体内做往复运动，使得膜片在油压与气体压力差和本身弹性变形力的作用下来回折动，周期性地改变气体在压缩室的容积，对空气进行压缩。
在工作负压的作用下，膜片组首先完全偏向液压油腔的底部，活塞处于下死点，在膜片组的另一侧，工作气体在给定的工作负压作用下通过进气单向阀进入腔内，随着曲轴转动，活塞由下死点向上死点运动，这时液压油和工作腔内压力升高，这时吸入侧液压单向阀以及排放侧的液压过量吸入阀都是闭合的，因此整个液压系统都是封闭的。同样工作气体系统也因进排气阀的作用而封闭，随着活塞继续向上死点运动，液体和气体的压力均在上升，因此膜片组也在向它的上死点偏移。
当空腔内的工作气体压力达到排气单向阀的开启压力时，排气单向阀打开，工作气体从空腔内排出，液压系统继续保持着与工作气体相等的压力，直到工作气体通过排气单向阀被完全排净，膜片组与凹面腔的顶部接触。由于活塞的位移略大于腔内膜片组的位移，这时活塞尚未达到上死点，这个位移差保证了膜片组能够充分位移，排净腔内的工作气体。活塞继续向上死点运动，额外的液压油经过液压过量吸入阀吸收。液压过量吸入阀的调定压力高于工作气体的排出压力，至此一个压缩部分的工作循环完成。
活塞向下死点运动，随着活塞向下运动，膜片组也离开工作气体腔的顶部，膜片组的最初运动是封闭空间内的残余空气膨胀作用的结果。当残余气体膨胀后的压力低于进气压力时，进气单向阀开启，在工作负压的作用下，气体进入腔内，迫使膜片组偏向液压油一侧，在活塞到达下死点前，膜片组已触到液压油腔的底部。由于活塞的位移略大于空腔的位移，活塞继续向下死点运动，这时出现了一个压差，它使液压油从压缩机底部的油箱进入液压系统，这时进入液压系统的油量等于压缩循环完成时液压过量吸入阀排出的油量。除了活塞环处少量正常泄漏之外，当活塞到达下死点时，液压系统已充满了液压油。这时膜片组也处于它的下死点，工作气体腔一侧亦充满了工作气体，至此一个完整的工作循环全部完成。