ピストンがシリンダーの上死点から下死点に移動すると、シリンダー内の容積が増加し、圧力が低下します。シリンダー内外の圧力差によりシリンダー内の圧力が大気圧より低くなると、外気がスプリングの張力に打ち勝ち、吸気バルブを押し開いてシリンダー内に入ります（このとき、排気バルブは閉じています）。ピストンが下死点に達すると、シリンダー内は大気圧と等しい圧力の空気で満たされます。シリンダー内外の圧力が均衡すると、バルブスプリングが吸気バルブを跳ね返して閉じ、吸気行程が完了します。

ピストンが下死点から上死点へ移動すると、吸気バルブと排気バルブが両方とも閉じられ、シリンダー内の空気が圧縮されます。ピストンが上昇するにつれて、シリンダーの容積は減少し続け、圧縮された空気の圧力もそれに応じて上昇します。この過程を圧縮行程と呼びます。

圧縮空気の圧力が、バルブスプリングの張力と吐出管内の圧力の合成力を超えると、吐出バルブが押し開かれ、圧縮空気は吐出管を通してピストンが上死点に達するまで吐出されます。この時点で、シリンダー内の圧縮空気の大部分が排出されているため、空気圧は急激に低下します。その後、吐出バルブはスプリングの張力によって再びシリンダーを閉じます。この過程は吐出行程と呼ばれます。

ピストンが上死点から下死点へ再び移動すると、新鮮な空気がシリンダー内に吸い込まれ、次の吸気行程が開始されます。このように、往復動型エアコンプレッサーは、吸入、圧縮、吐出という連続サイクルで作動します。