在氣缸內作往復運動的活塞向右移動時，氣缸內活塞左腔的壓力低于大氣壓力pa ，吸氣閥開啟，外界空氣吸入缸內，這個過程稱為壓縮過程。當缸內壓力高于輸出空氣管道內壓力p后，排氣閥打開。壓縮空氣送至輸氣管內，這個過程稱為排氣過程。活塞的往復運動是由電動機帶動的曲柄滑塊機構形成的。曲柄的旋轉運動轉換為滑動——活塞的往復運動。
這種結構的壓縮機在排氣過程結束時總有剩余容積存在。在下一次吸氣時，剩余容積內的壓縮空氣會膨脹，從而減少了吸人的空氣量，降低了效率，增加了壓縮功。且由于剩余容積的存在，當壓縮比增大時，溫度急劇升高。故當輸出壓力較高時，應采取分級壓縮。分級壓縮可降低排氣溫度，節(jié)省壓縮功，提高容積效率，增加壓縮氣體排氣量。
圖 1 為單級活塞式空壓機，常用于需要 0 . 3 — 0 . 7MPa 壓力范圍的系統(tǒng)。單級活塞式空壓機若壓力超過 0 . 6MPa ，各項性能指標將急劇下降，故往往采用多級壓縮，以提高輸出壓力。為了提高效率，降低空氣溫度，需要進行中間冷卻。圖 2 (a) 為二級壓縮的活塞式空壓機設備示意圖。如圖 2 (b) 所示，空氣經(jīng)低壓缸后壓力由 p 1 提高至 p 2 ，溫度由 T l 升至 T 2 ；然后流入中間冷卻器，在等壓下對冷卻水放熱，溫度降為 T l ；再經(jīng)高壓缸壓縮到所需要的壓力 p 3 。并由該圖可見，進入低壓缸和高壓缸的空氣溫度 T l 和 T 2 ，位于同一等溫線 12 ′ 3 ′ 上，兩個壓縮過程 12 、 2 ′ 3 偏離等溫線不遠。同一壓縮比 p 3 / p 1 的單級壓縮過程為 123 ″ ，比兩級壓縮偏離等溫線 12 ′ 3 ′ 遠得多，即溫度要高許多。且單級壓縮消耗功相當于圖中面積 613 ″ 46 ，兩級壓縮消耗功相當于圖中面積 61256 和 52 ′ 345 之和，節(jié)省的功相當于 2 ′ 23 ″ 32 ′ 。可見，分級壓縮可降低排氣溫度，節(jié)省壓縮功，提高效率。
活塞式空壓機有多種結構形式。按氣缸的配置方式分有立式、臥式、角度式、對稱平衡式和對置式幾種。按壓縮級數(shù)可分為單級式、雙級式和多級式三種。按設置方式可分為移動式和固定式兩種。按控制方式可分為卸荷式和壓力開關式兩種。其中，卸荷式控制方式是指當貯氣罐內的壓力達到調定值時，空壓機不停止運轉而通過打開安全閥進行不壓縮運轉。這種空轉狀態(tài)稱為卸荷運轉。而壓力開關式控制方式是指當貯氣罐內的壓力達到調定值時，空壓機自動停止運轉。