當壓縮空氣進入油水分離器后產生流向和速度的急劇變化，再依靠慣性作用，將密度比壓縮空氣大的油滴和水滴分離出來。常見的為撞擊式油水分離器和環形回轉式油水分離器。壓縮空氣自入口進入油水分離器殼體后，氣流先受隔板阻擋撞擊折回向下，繼而又回升向上，產生環形回轉。這樣使水滴和油滴在離心力和慣性力作用下，從空氣中分離析出并沉降在殼體底部

而另一種油水分離系統，內部采用不銹鋼絲網聚結填料，殼體用鋼制焊接罐體結構，一般使用壓力為0.1Mpa-2.5Mpa。其原理是利用旋風與不銹鋼絲網捕霧的有機結合，同時采用直接攔截、慣性碰撞、布朗擴散及凝聚等機理，能有效的去除壓縮空氣中的塵、水、油霧，除水量、除油量大，適應工況范圍廣。

當含有油和水的壓縮空氣等氣體通入油水分離器，大液滴在重力作用下落到油水分離器底部，霧狀小液滴被絲網捕獲凝結成大液滴落到油水分離器底部。夾帶的的液體因此被分離出來，被分離出來的液體流入下部經人工打開閥門排出或者在下部裝上空氣排液閥排出體外