当压缩空气进入油水分离器后产生流向和速度的急剧变化，再依靠惯性作用，将密度比压缩空气大的油滴和水滴分离出来。常见的为撞击式油水分离器和环形回转式油水分离器。压缩空气自入口进入油水分离器壳体后，气流先受隔板阻挡撞击折回向下，继而又回升向上，产生环形回转。这样使水滴和油滴在离心力和惯性力作用下，从空气中分离析出并沉降在壳体底部，定期打开底部阀门即可排出油滴水滴，经初步净化的空气从出口送往储气罐。
而另一种油水分离系统，内部采用不锈钢丝网聚结填料，壳体用钢制焊接罐体结构，一般使用压力为0.1Mpa-2.5Mpa。其原理是利用旋风与不锈钢丝网捕雾的有机结合，同时采用直接拦截、惯性碰撞、布朗扩散及凝聚等机理，能有效的去除压缩空气中的尘、水、油雾，除水量、除油量大，适应工况范围广。