在油桶泵的兩個對稱工作腔中，各裝有一塊有彈性的隔膜，聯桿將兩塊隔膜結成一體，壓縮空氣從泵的進氣接頭進入不銹鋼油桶泵后，推動兩個工作腔內的隔膜，驅使聯桿聯接立式離心泵的兩塊隔膜同步運動。與此同時，另一工作腔中的氣體則從隔膜的背后排出泵外。
油桶泵一旦到達行程終點，配氣機構則自動地將壓縮空氣引入另一個工作腔，推動隔膜朝相反方向運動，這樣就形成了兩個隔膜的同步往臥式多級離心泵復運動。每個工作腔中設置有兩個單向球閥，隔膜的往復運動，造成工作腔內容積的改變，迫使兩個單向球閥交替地開啟和關閉，從而將液體連續地吸入和排出。