Wenn sich der Kolben vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt bewegt, vergrößert sich das Volumen im Zylinder und der Druck sinkt. Sobald der Druck im Zylinder unter den Umgebungsdruck fällt, überwindet die durch den Druckunterschied zwischen Zylinderinnerem und -äußerem verursachte Luft die Federspannung, öffnet das Einlassventil und strömt in den Zylinder (das Auslassventil ist in diesem Moment geschlossen). Erreicht der Kolben den unteren Totpunkt, ist der Zylinder mit Luft gefüllt, deren Druck dem Umgebungsdruck entspricht. Da sich nun der Druck im Zylinder ausgleicht, schließt die Ventilfeder das Einlassventil durch Zurückfedern und beendet so den Ansaugtakt.

Wenn sich der Kolben vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegt, sind sowohl das Einlass- als auch das Auslassventil geschlossen, und die Luft im Zylinder wird verdichtet. Während sich der Kolben nach oben bewegt, verringert sich das Zylindervolumen weiter, und der Druck der verdichteten Luft steigt entsprechend an. Dieser Vorgang wird als Verdichtungshub bezeichnet.

Wenn der Druck der Druckluft die Summe aus Ventilfederspannung und Druck im Auslassrohr übersteigt, öffnet sich das Auslassventil und die Druckluft strömt durch das Auslassrohr, bis der Kolben den oberen Totpunkt erreicht. An diesem Punkt ist der größte Teil der Druckluft aus dem Zylinder entwichen, wodurch der Luftdruck rapide abfällt. Das Auslassventil schließt den Zylinder anschließend wieder unter der Spannung seiner Feder. Dieser Vorgang wird als Auslasshub bezeichnet.

Wenn sich der Kolben vom oberen Totpunkt wieder zum unteren Totpunkt bewegt, wird Frischluft in den Zylinder gesaugt und der nächste Ansaugtakt eingeleitet. Auf diese Weise arbeitet der Hubkolbenkompressor in einem kontinuierlichen Zyklus aus Ansaugen, Verdichten und Ausstoßen.