物理天平的原理基於槓桿平衡的原則，即在一個天平上，當兩端平衡時，兩端的質量（重量）相等。天平由支點（軸）在梁的中心支著天平梁形成兩個臂，每個臂上掛著一個盤。一端放砝碼，另一端放待稱的物體。固定在樑上的指針在不擺動且指向正中刻度時的偏轉就指示出待測物體的質量。
天平的工作原理還涉及到重力平衡原理，即重力始終垂直於地面，物體在天平上的重力作用會導致橫梁發生彎曲，測量桿轉動，直到重力和支持力完全平衡。這樣，天平就可以準確測量物體的重量。
此外，天平的使用還包括復稱法、替代法和減碼法等測量方法。復稱法是通過左盤放物體，右盤加砝碼，然後交換物體和砝碼的位置進行稱量，通過兩次稱量的結果計算出物體的質量。替代法是左盤載物，右盤加乾砂，使天平平衡，然後將左盤中物體取下，向左盤中加砝碼使天平再次平衡，此時砝碼所示質量數即為被稱物質量。減碼法是右盤中放入一定值的砝碼，左盤中放入小砝碼使天平平衡，然後將被測物放入左盤中，減少左盤中的小砝碼，使天平恢復平衡，減少的砝碼總質量即為被稱物體質量。