水環式真空泵的設計原理基于水力機械的原理。
水環式真空泵內裝有帶固定葉片的偏心轉子，是將水（液體）拋向定子壁，水（液體）形成與定子同心的液環，液環與轉子葉片一起構成可變容積的一種旋轉變容積真空泵。在泵體中裝有適量的水作為工作液。當葉輪按圖中順時針方向旋轉時，水被葉輪拋來拋去。由于離心力的作用，水形成了與泵腔形狀相似的均勻厚度封閉圓環。此時葉輪輪轂與水環之間形成一個月牙形空間，而這一空間又被葉輪分成和葉片數目相等的若干個小腔。
以葉輪上部為起點，那么當葉輪轉過一定角度時，小腔的容積由小到大逐漸加大，壓力不斷減小，與吸氣口相通吸排氣板上的端口。小腔空間內的壓力低于被抽容器內的壓力。根據氣體壓力平衡原理，被抽的氣體不斷被吸入小腔內，處于吸入過程中。抽吸完成后，與抽吸口隔離。從II-II段到III-III段，小腔體的體積逐漸減小，壓力不斷增加。此時，它處于壓縮過程中。當提前達到排氣壓力時，從輔助排氣閥提前排氣。
水環式真空泵的工作原理是：水環式真空泵是靠泵腔容積的變化來實現吸入、壓縮和排氣的，所以屬于變容量真空泵。
綜上所述，水環式真空泵的設計原理主要基于水力機械的原理，通過改變泵腔的容積來實現氣體的吸入、壓縮和排出。
