活塞式膨脹機的工作過程與活塞式空氣壓縮機相反：當活塞向下移動時，進氣閥被強制頂開，壓縮空氣進人氣缸。活塞移動一段距離后，進氣閥關閉。此時，壓縮氣體推動活塞移動，通過傳動機構（活塞桿、十字頭、連桿），帶動曲軸旋轉，對外做功。而氣體本身體積膨脹，壓力降低、溫度下降。當活塞移到下邊末端時，排氣閥被頂開，活塞借助于膨脹機飛輪的慣性，將膨脹后的低壓氣體排出氣缸，直到活塞移到上端為止。隨后，進氣閥又被打開，壓縮空氣進人氣缸，重復上述動作。膨脹機連續運轉，不斷獲得冷量。

活塞式膨脹機進、排氣閥的打開，關閉，是靠專門的配氣機構傳動的。