生物流化床的工作原理主要涉及充氧的廢水自下而上通過細濾料床，利用布滿生物膜的濾料進行高效生物處理。
在生物流化床中，較小的載體顆粒（如砂、活性炭、焦炭等）充填在床內，這些載體表面覆蓋著生物膜。廢水以一定的流速從下向上流動，使載體顆粒處於流化狀態，這種流化狀態能強化生物膜與廢水之間的接觸，加快生物膜與廢水之間的相對運動，從而加速有機物從廢水向微生物細胞的傳遞過程。
生物流化床中微生物群落包括好氧和厭氧微生物，它們共同作用以分解有機物質。好氧微生物利用溶解氧分解有機物質，產生二氧化碳和水，同時清除厭氧微生物產生的過渡產物；而厭氧微生物則在無氧條件下分解有機物質，產生一些氣體和低分子有機物。生物流化床還具有良好的靈活性，可以通過調整運行參數（如通氣量、水力停留時間、進水濃度、溶解氧水平和溫度）來控制處理效率和水質穩定。
由於載體顆粒小且總表面積大，單位容積內的生物量大，這增強了生物膜與廢水之間的接觸，防止了堵塞現象。此外，生物流化床的結構通常為圓柱形或矩形，內部填充著一定大小的流化床顆粒，床體內流體可以形成氣、固、液三相共存的三相流動狀態。