大气泵由喷嘴、混合室和扩压器组成，并用管道与水环真空泵的进气口连结，如图1所示。

它的工作原理是:先开动水环真空泵，以获得大气泵所需的预真空度，也就是使喷嘴的进气口与排气口之间有压力差，大气便通过喷嘴流人泵内。当压力差为大气压力之半时，工作介质(空气)经过喷嘴的收缩段时得到加速。在经过喉部时即达到音速，继续经过喷嘴的扩张段时得到进一步加速，最后以超音速射向扩压器。此高速运动的气流携带被程抽体，造成混合室内有较高的真空度，以致将被抽容器中的气体吸人。两股气流在混合过程中，由于动量交换所产生的损失，特别是经过扩压器收缩时，由于一系列激波所造成的激波损失，使得混合气流的速度逐渐减慢，当进入扩压器的喉部时，速度降到音速以下，气后经过扩压器的扩张段而使速度进一步降低，压强不断增高，最后达到大气泵的排气压强即水环真空泵的吸入压强时，由水环真空泵把气体吸入，然后排至大气中。
当要求真空度更高时，需将几个大气泵串联，形成多级大气泵，其后一级的大气泵将前一级大气泵排出的混合气体抽走，最后由水环真空泵排至大气中。其工作原理与一级大气泵基本相同。

大气水环真空泵主要特点是能得到较高的真空度，视大气泵的具体级数而定。大气泵级数越多，真空度越高。但是，随着大气泵的级数增多，实际抽气能力要降低，即抽气量下降。因此，要根据使用要求，适当地选择大气泵的级数。