피스톤이 실린더의 상사점에서 하사점으로 이동할 때, 실린더 내부의 부피는 증가하고 압력은 감소합니다. 실린더 내부 압력이 대기압보다 낮아지면, 실린더 내부와 외부의 압력 차이에 의해 외부 공기가 스프링의 장력을 이겨내고 흡기 밸브를 밀어 열어 실린더 내부로 유입됩니다 (이때 배출 밸브는 닫힙니다). 피스톤이 하사점에 도달하면 실린더는 대기압과 같은 압력의 공기로 채워집니다. 실린더 내부와 외부의 압력이 균형을 이루게 되면, 밸브 스프링이 흡기 밸브를 밀어 닫으면서 흡기 행정이 완료됩니다.

피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동할 때 흡기 밸브와 배출 밸브가 모두 닫히고 실린더 내부의 공기가 압축됩니다. 피스톤이 위로 이동함에 따라 실린더의 부피는 계속 감소하고, 압축된 공기의 압력은 그에 따라 상승합니다. 이 과정을 압축 행정이라고 합니다.

압축 공기의 압력이 밸브 스프링 장력과 배출관 내부 압력의 합력을 초과하면 배출 밸브가 열리고 피스톤이 상사점에 도달할 때까지 압축 공기가 배출관을 통해 배출됩니다. 이때 실린더 내부의 압축 공기 대부분이 배출되어 공기압이 급격히 떨어집니다. 그런 다음 배출 밸브는 스프링 장력에 의해 다시 실린더를 닫습니다. 이 과정을 배출 행정이라고 합니다.

피스톤이 상사점에서 하사점으로 다시 이동하면 신선한 공기가 실린더로 유입되어 다음 흡입 행정이 시작됩니다. 이처럼 왕복식 공기 압축기는 흡입, 압축, 배출의 연속적인 사이클로 작동합니다.