真空除氧器的工作原理主要基於亨利定律和道爾頓定律。在亨利定律中，氣體的溶解度與其自身的分壓力成正比。這意味著，在封閉容器中，氣體的溶解度會隨著壓力的降低而減少。在一定壓力下，隨著水溫的升高，水蒸汽的分壓力增大，而空氣和氧氣的分壓力則逐漸減小。當水溫達到100℃時，氧氣的分壓力降低到零，水中的溶解氧也降低到零。此外，當水面上壓力小於大氣壓力時，氧氣的溶解度在較低水溫時也可達到零。這樣，水面上空間的氧氣分子會被排出或轉變成其他氣體，從而使氧的分壓力為零，水中的氧氣就會不斷地逸出，達到除氧的效果。
真空除氧器通常在30℃至60℃的溫度下進行除氧，可以在水面低溫狀態下有效去除氧氣。這種方法相對於熱力除氧技術，加熱條件要求較低，可以減少鍋爐房的自耗汽量。此外，真空除氧器可以低位布置，對運行管理的要求比熱力除氧更高。
真空除氧器還利用了真空泵的吸氣作用，通過降低容器內的壓力，促使液體中溶解的氣體釋放出來，並利用真空泵將氣體從容器內抽出，以達到減少或去除氣體的目的。