在罗茨真空泵腔内，有二个"8"字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。在转子之间，转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行。由于罗茨泵是一种无内压缩的真空泵，通常压缩比很低，故高、中真空泵需要前级泵。罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空。为了提高泵的极限真空度，可将罗茨泵串联使用。
罗茨真空泵的工作原理与罗茨鼓风机相似。由于转子的不断旋转，被抽气体从吸气口吸入到转子与泵壳之间的空间v0内，再经排气口排出。由于吸气后v0空间是全封闭状态，所以，在泵腔内气体没有压缩和膨胀。但当转子顶部转过排气口边缘，v0空间与排气侧相通时，由于排气侧气体压强较高，则有一部分气体返冲到空间v0中去，使气体压强突然增高。
当转子继续转动时，气体排出泵外。在0°位置时，左转子从泵入口封入v0体积的气体。当转到45°位置时，该腔与排气口相通。由于排气侧压强较高，引起一部分气体返冲过来。当转到90°位置时，左转子封入的气体，连同返冲的气体一起排向泵外。这时，右转子也从泵入口封入v0体积的气体。当转子继续转到135°时，右转子封入的气体与排气口相通，重复上述过程。180°位置和0°位置是一样的。转子主轴旋转一周共排出四个v0体积的气体。
