千里船的原理主要基於輪槳驅動系統，這是一種通過腳踏轉軸來驅動輪槳轉動，進而推動船隻前進的技術。這種設計避免了人力划槳時的無用功，並利用了腿部力量大於手臂力量的特點，從而提高了船隻的速度。祖沖之在製造千里船時，受到了水碓磨和龍骨水車的工作原理的啟發，將傳統的槳楫改為槳輪，並通過人力驅動傳動結構，使得槳輪飛快地轉動擊水，實現了船舶的快速推進。
千里船的設計可能包括雙層絞盤，利用多匹馬來驅動一對明輪，這樣的設計有助於提高船隻的速度，使其能夠達到「日行千里」的效果。然而，在首次試航時，為了安全起見，可能只使用了部分動力，因此記錄的航速為「日行百餘里」。
綜上所述，千里船的原理在於其創新的輪槳驅動系統和高效的傳動機制，這些技術進步使得千里船成為了一種快速、高效的船隻。