大氣泵由噴嘴、混合室和擴壓器組成，并用管道與水環真空泵的進氣口連結，如圖1所示。

它的工作原理是:先開動水環真空泵，以獲得大氣泵所需的預真空度，也就是使噴嘴的進氣口與排氣口之間有壓力差，大氣便通過噴嘴流人泵內。當壓力差為大氣壓力之半時，工作介質(空氣)經過噴嘴的收縮段時得到加速。在經過喉部時即達到音速，繼續經過噴嘴的擴張段時得到進一步加速，最后以超音速射向擴壓器。此高速運動的氣流攜帶被程抽體，造成混合室內有較高的真空度，以致將被抽容器中的氣體吸人。兩股氣流在混合過程中，由于動量交換所產生的損失，特別是經過擴壓器收縮時，由于一系列激波所造成的激波損失，使得混合氣流的速度逐漸減慢，當進入擴壓器的喉部時，速度降到音速以下，氣后經過擴壓器的擴張段而使速度進一步降低，壓強不斷增高，最后達到大氣泵的排氣壓強即水環真空泵的吸入壓強時，由水環真空泵把氣體吸入，然后排至大氣中。
當要求真空度更高時，需將幾個大氣泵串聯，形成多級大氣泵，其后一級的大氣泵將前一級大氣泵排出的混合氣體抽走，最后由水環真空泵排至大氣中。其工作原理與一級大氣泵基本相同。

大氣水環真空泵主要特點是能得到較高的真空度，視大氣泵的具體級數而定。大氣泵級數越多，真空度越高。但是，隨著大氣泵的級數增多，實際抽氣能力要降低，即抽氣量下降。因此，要根據使用要求，適當地選擇大氣泵的級數。