指南車的構造具有獨特之處。其不用磁性，靠機械傳動來指示方向。

原理是利用人力帶動兩輪行走，使車內木制齒輪轉動，傳遞兩輪轉向時的差動，從而帶動車上的指向木人與車轉向方向相反角度相同。

指南車的結構主要包括車輪、車軸、齒輪、杠桿、連桿、曲軸等部件。

指南車的車輪尺寸會有制造誤差和磨損不均，地面也不平整，這會影響其指向精度。但在短時期短距離及路況相對平整時，能正確指向。

從出現時間看，關于指南車的出現有多種說法，較妥當的是西漢已有。

在復原方面，現代的復原是給現代人的參考，不代表古代事實。有多種復原結構，如兩輪的差動使斜面軸向頂推帶動曲軸轉動的結構，更接近古代技術水平和歷史記載。

研究制作方面，燕肅的指南車是雙輪獨轅車，車上有 7 個齒輪，通過離合裝置控制大平輪轉動，使木人指向不變。吳德仁重新設計的指南車解決了燕肅指南車不能轉大彎的缺點，發明了繩輪離合裝置。

指南車作為皇帝儀仗車輛，規格高，裝飾華美。由于其崇高地位和特殊作用，前朝滅亡常被毀壞。其內部結構常被視為機密，古籍記載少。各代指南車內部結構可能不同。