反相器的工作原理可以通過其電路結構來解釋。以NMS（N型金屬半導體）反相器為例，它由一個NMS電晶體和一個負載元件（如電阻）組成。在NMS反相器中，輸入信號V1連線到NMS電晶體的柵極，而輸出信號Vo是NMS電晶體的源漏電壓Vds。當輸入端V1為高電壓時，NMS電晶體開啟，使得輸出端Vo與低電壓Vss連通，因此輸出為低電壓。相反，當V1為低電壓時，NMS電晶體關閉，這時VDD通過電阻降落到輸出端，使得輸出為高電壓。這樣，反相器實現了輸入和輸出端高電壓和低電壓的切換，即輸入和輸出的波形相反。
對於TTL（電晶體-電晶體邏輯）反相器，其工作原理涉及多個電晶體（如T1、T2、T4、T5）和電阻（如R2）的相互作用。TTL反相器通過控制電晶體的導通和截止來改變輸出電壓。例如，當輸入為低電平時，T1管處於飽和狀態，而T2和T5管截止，T4管導通，輸出為高電平。當輸入在某個範圍內變化時（如0.7V