当压缩空气进入油水分离器后产生流向和速度的急剧变化，再依靠惯性作用，将密度比压缩空气大的油滴和水滴分离出来。常见的为撞击式油水分离器和环形回转式油水分离器。压缩空气自入口进入油水分离器壳体后，气流先受隔板阻挡撞击折回向下，继而又回升向上，产生环形回转。这样使水滴和油滴在离心力和惯性力作用下，从空气中分离析出并沉降在壳体底部
而另一种油水分离系统，内部采用不锈钢丝网聚结填料，壳体用钢制焊接罐体结构，一般使用压力为0.1mpa-2.5mpa。其原理是利用旋风与不锈钢丝网捕雾的有机结合，同时采用直接拦截、惯性碰撞、布朗扩散及凝聚等机理，能有效的去除压缩空气中的尘、水、油雾，除水量、除油量大，适应工况范围广。
当含有油和水的压缩空气等气体通入油水分离器，大液滴在重力作用下落到油水分离器底部，雾状小液滴被丝网捕获凝结成大液滴落到油水分离器底部。夹带的的液体因此被分离出来，被分离出来的液体流入下部经人工打开阀门排出或者在下部装上空气排液阀排出体外