防毒面具的工作原理主要基於以下幾個方面：
過濾和吸附。防毒面具配備有過濾器，這個過濾器通常包含多層結構，如活性炭層和化學催化劑，用於物理吸附或化學反應來去除有毒氣體和蒸汽。活性炭層通過其巨大的內表面積吸附毒氣，而化學催化劑則加速有毒氣體與活性炭之間的反應。
面罩的密合性。防毒面具的面罩設計用於與佩戴者的面部緊密貼合，形成密封，阻止有毒氣體通過縫隙進入。
單向氣流。防毒面具內部設計有進氣閥和出氣閥，確保在佩戴者吸氣時，外界的空氣通過濾毒罐進入面罩，而在呼氣時，呼出的空氣僅通過出氣閥排出，避免有毒氣體在面罩內積聚。
保護眼睛、鼻子和喉嚨。除了防止有毒氣體進入，防毒面具還特別設計用來保護佩戴者的眼睛、鼻子和喉嚨不受有害物質的侵害。