油水分離器的工作原理主要是利用油和水的密度差。

比如在餐飲油水分離器中，通過重力原理、密度差原理、氣浮原理、虹吸原理、旋流原理、導流擾流原理、恒溫加熱原理、反沖洗原理、自動刮油原理、自動排油原理、自動刮渣原理和自動提升原理等的組合，實現油、水、渣三相分離。

像無動力餐飲油水分離器通過重力原理、密度差原理、導流擾流原理來分離，全自動餐飲油水分離器由于有效運用了多種原理組合，分離效果和效率都更好。

對于工業和車用油水分離器，含油污水由污水泵送入，通過擴散噴嘴后，大顆粒油滴上浮在左集油室頂部。含小油滴的污水進入波紋板聚結器，聚合部分油滴至右集油室。含更小顆粒油滴的污水通過細濾器去除雜質，依次進入纖維聚合器，使細小油滴聚合成較大油滴與水分離。分離后，清潔水通過排除口排出，左右集油室中污油通過電磁閥或手動閥排除。

油水分離器工作時，當含有大量油和水固體雜質的壓縮空氣進入分離器后，沿內壁旋轉而下，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，然后再由濾芯進行精過濾。

濾芯采用粗、細、超細三種纖維濾材疊成，具有很高的過濾效率且阻力小，氣體通過濾芯時，由于濾芯阻擋、慣性碰撞以及分子間的范德華力、靜電吸引力和真空吸力，雜質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。