天心石的傳音原理主要在於圜丘壇地面及周邊欄板對聲波的反射。天心石位於圜丘壇的正中位置，且由於周邊的欄板為圓形排列，因而天心石其到四周地面、欄板的距離是相等的，且除了欄板和地面，沒有任何阻礙物。當人站在天心石上說話時，聲波經過光滑的台面和四周欄板的反射，其中的大部分仍能夠回聚到原始發聲位置。由於圜丘壇的半徑相對較小，聲波反射過程所需時間不需要1秒鐘，因而與原音很快產生疊加，使人感到發聲更加宏亮和渾厚。另外，由於聲波的反射從四面八方匯集，因而各個方向的回聲在天心石匯聚時，又能產生「一呼百應」的聲響效果，而說話者很難分辨出原始聲音和回聲。
此外，天心石的原理也和聲音的折射有關。原聲經過天心石外圈石面和護欄的折射，形成回聲回到天心石，由於圓壇的半徑較小，所以原聲和折射回來的回聲時間間隔只差零點零七秒，讓說話者無法分辨原聲和回聲，因此聲音聽起來格外響亮。