浮沉娃娃的原理主要基於阿基米德原理和帕斯卡定律。阿基米德原理指出，物體在液體中所受到的浮力等於它排開的液體的重量。當外部條件改變時，如通過壓縮或膨脹氣體來改變浮沉子內部的壓力，這會影響浮沉子排開液體的體積，進而改變它受到的浮力。
具體來說，浮沉娃娃通常由一個玻璃瓶和一個橡皮膜組成，瓶子下端開有小孔，以便水進出。當手按住橡皮膜時，瓶內的空氣被壓縮，水被壓入瓶內，增加了排水體積，使得浮力小於重力，導致浮沉子下沉。當手離開橡皮膜，瓶內的空氣膨脹，壓強減小，水被排出，減小了排水體積，使得浮力大於重力，從而使得浮沉子上升。通過控制對橡皮膜的壓力，可以調整浮沉子內部的氣體體積，進而控制浮沉子的浮沉狀態，使其懸浮在水中特定深度。
此外，浮沉娃娃的原理也可以套用於其他領域，如浮沉抓娃娃機，它通過控制抓取器的下降和關閉速度來掌握力度，實現抓取娃娃的目的。