真空分子泵主要利用高速旋轉的轉子將動量傳遞給氣體分子，使這些分子獲得定向速度，並被壓縮和驅趕向排氣口，最終被前級抽走。
分子泵主要包括牽引分子泵、渦輪分子泵和複合分子泵等類型。牽引分子泵通過氣體分子與高速旋轉的轉子碰撞獲得動量，被驅送到泵的出口。渦輪分子泵則依靠高速旋轉的動葉片和靜止的定葉片相互配合來實現抽氣，通常在分子流狀態下工作。複合分子泵是渦輪式和牽引式的組合，需要配備前級泵，如旋片泵。
分子泵的轉子通常是特殊的螺旋形設計，上邊緣有許多小孔，氣體分子流經轉子時，通過擴散和碰撞停留在小孔邊緣的表面，然後被排除泵外。分子泵內部的氣體分子在連續的碰撞、反彈和漸進流動過程中，被引導向高真空狀態移動，達到吸附和排氣的目的。這個過程還涉及到動平衡原理，即在一定條件下，泵內分子無序的熱運動產生的反向流動達到動態平衡，形成精確的氣體流，加速吸附和排放作用。