Cuando el pistón se mueve del punto muerto superior al punto muerto inferior del cilindro, el volumen dentro del cilindro aumenta y la presión disminuye. Cuando la presión dentro del cilindro cae por debajo de la presión atmosférica ambiental, debido a la diferencia de presión entre el interior y el exterior, el aire exterior supera la tensión del resorte, abriendo la válvula de admisión y entrando al cilindro (en ese momento, la válvula de descarga está cerrada). Cuando el pistón alcanza el punto muerto inferior, el cilindro se llena de aire cuya presión es igual a la presión atmosférica ambiental. Al equilibrarse la presión dentro y fuera del cilindro, el resorte de la válvula cierra la válvula de admisión al rebotar, completando así la carrera de admisión.

Cuando el pistón se mueve del punto muerto inferior al punto muerto superior, tanto la válvula de admisión como la de descarga se cierran, y el aire dentro del cilindro se comprime. A medida que el pistón asciende, el volumen del cilindro continúa disminuyendo y la presión del aire comprimido aumenta en consecuencia. Este proceso se denomina carrera de compresión.

Cuando la presión del aire comprimido supera la fuerza combinada de la tensión del resorte de la válvula y la presión dentro del tubo de descarga, la válvula de descarga se abre y el aire comprimido se descarga a través del tubo de descarga hasta que el pistón alcanza el punto muerto superior. En este punto, se ha descargado la mayor parte del aire comprimido dentro del cilindro, lo que provoca una caída brusca de la presión. La válvula de descarga cierra entonces el cilindro bajo la tensión de su resorte. Este proceso se conoce como carrera de descarga.

Cuando el pistón se mueve del punto muerto superior al punto muerto inferior, se introduce aire fresco en el cilindro, iniciando la siguiente carrera de admisión. De esta manera, el compresor de aire alternativo opera en un ciclo continuo de admisión, compresión y descarga.