油水分離器的作用原理主要是根據水和油的密度差，利用重力沉降原理來實現分離。

其內部通常采用不銹鋼絲網聚結填料、擴散錐、濾網等元件。

當含有油和水的混合物進入油水分離器，大液滴在重力作用下落到分離器底部，霧狀小液滴被絲網捕獲凝結成大液滴也落到底部。

比如含油污水以大流量不間斷方式流經分離器時，油滴利用污水高速流動產生的動能，不斷碰撞并逐漸壯大，加速運動，使不同比重的油和水分離并分層。

對于壓縮空氣等氣體，當通入油水分離器，同樣是大液滴在重力作用下落到底部，小液滴被捕獲凝結成大液滴也沉到底部，從而實現分離。

像污水泵將含油污水送入分離器，經過擴散噴嘴后，大顆粒油滴浮到左側集油室頂部，含小油滴的污水進入下部波紋板聚結器，聚合部分油滴成較大的油滴流入右側集油室，含更小顆粒油滴的污水經過細濾器去除雜質，再依次進入纖維聚合器，使細小油滴聚合成較大的油滴，最終與水分離。

另外，當含有大量油和水固體雜質的壓縮空氣進入分離器后，沿其內壁旋而下，所產生的離心作用，使油水從汽流中析出并沿壁向下流到分離器底部，然后由濾芯進行精過濾。

因濾芯采用粗、細、超細三種纖維濾材學析疊而成，具有很高的過濾效率并且阻力小，氣體通過濾芯時，由于濾芯的阻擋等作用，慣性碰撞以及分子間的范德華力、靜電吸引力和真空吸力而被牢牢粘附在濾材纖維上，并逐漸增大變成液滴，在重力作用下滴入分離器底部。

總之，油水分離器通過多種方式和元件的協同作用，有效地實現了油和水的分離。