迴旋加速器的原理主要基於磁場和電場的共同作用，利用電場對帶電粒子的加速作用和磁場對運動電荷的偏轉作用來實現粒子的加速。具體來說，迴旋加速器內部有兩個半圓形的金屬扁盒（D形盒），它們隔開並相對放置，在D形盒上施加交變電壓，這樣在它們之間的間隙處產生交變電場。
當帶電粒子從中心的粒子源釋放出來時，它們首先在D形盒間的電場中加速，然後在磁極間磁場的洛倫茲力作用下在垂直於磁場的平面內作圓周運動。如果D形盒上所加的交變電壓的頻率與粒子在磁場中作圓周運動的頻率相同，那麼粒子每次繞行半圈後都會正好遇到D形盒上電壓方向的轉變，從而繼續加速。
通過這種方式，粒子在每次圓周運動的過程中都會經過D形盒的縫隙，並在兩盒間的電勢差反向時再次加速。這樣，粒子就能逐步加速達到很高的能量。不過，需要注意的是，隨著粒子速度的提高，其運動半徑會逐漸增大，因此D形盒的尺寸成為了一個關鍵因素限制了加速器的性能。
此外，由於相對論效應，當粒子速度接近光速時，迴旋加速器將失效。這是因為粒子速度的提高會導致其質量增大，從而影響粒子周期與高頻電源電壓的匹配，導致無法準確實現加速要求。因此，迴旋加速器通常用於加速較重的帶電粒子，而不是輕粒子如電子。