燃油泵的工作原理主要取決於其類型，電動燃油泵的工作原理如下：
電動燃油泵由電動馬達、壓力限制器和檢查閥構成。電動馬達實際工作在油泵殼內的燃油中，出油口處裝有檢查閥，壓力限制器位於油泵殼的壓力側，帶有通向進油口的通道。當轉子盤旋轉時，滾子被離心力向外壓，像旋轉的油封一樣。轉子旋轉，泵起作用，從進油口吸入燃油，並把燃油從出油口壓入燃油系統。當關閉油泵時，出油口的檢查閥關閉，防止燃油通過燃油泵流回油箱，檢查閥維持的燃油管壓力稱為「殘餘壓力」。
電動燃油泵的內部結構包括泵體、永磁電動機和外殼。永磁電動機通電即帶動泵體旋轉，將燃油從進油口吸入，流經電動燃油泵內部，再從出油口壓出。燃油流經電動燃油泵內部，對永磁電動機的電樞起到冷卻作用，又稱濕式燃油泵。
機械燃油泵的工作原理如下：
機械燃油泵由凸輪軸驅動，或由曲軸驅動的特殊軸驅動。當軸轉動時，一個凸輪從一個轉動的槓桿下面經過，並迫使它在一端向上移動。槓桿的另一端鬆鬆地與構成泵腔底板的橡膠隔膜相連，它向下拉隔膜。當操縱桿向下拉動隔膜時，它會產生吸力，將燃油沿燃油管通過單向閥吸入泵中。隨著旋轉凸輪進一步轉動，使其不再壓在槓桿上，槓桿通過回位彈簧向後移動，從而放鬆其對膜片的拉力。鬆散連線的槓桿不會向上推動隔膜，但有一個回位彈簧推動隔膜。只有將汽油從腔室中排出，隔膜才能向上移動。汽油不能通過第一個單向閥流回，所以它通過另一個通向化油器的單向閥流出。