密度天平的原理主要基於物體的密度是其質量與體積之比，以及阿基米德原理。
阿基米德原理指出，浸入液體中的每個固體所失去的重量等於它所排開的液體的重量，通過測量物體在空氣中和液體中的重量，可以計算出物體的密度。例如，使用水或乙醇作為輔助液體，通過在空氣（A）和輔助液體（B）中先後稱量的待測固體質量，即可計算求得其密度。對於固體密度測量，通常是將待測物體放在稱盤上，通過稱重裝置測量物體的質量，然後將待測物體懸掛在水中，通過浸泡深度與浮力的關係來測量物體的體積。對於液體密度測量，則是通過現代微電子技術與阿基米德原理相結合的方法。
此外，還有一些密度天平採用x射線或中子來測量物質的散射，從而計算出物體的密度。