直流防雷器的工作原理主要基於氧化鋅壓敏電阻器的電性能，這種電阻器具有伏安特性和帶溫度係數，能夠自動保護外接電路。
當外界過電壓作用於氧化鋅壓敏電阻器時，電阻器的電阻值急劇下降，形成短路通路，將過電壓短時地引入地下，從而保護電路設備免受雷擊、過電壓和浪涌電流的影響。此外，直流防雷器還可能採用氣體放電原理和芯材吸收原理，在遭受電氣干擾時，保護元件（如氣體放電管）快速導通，限制電壓和電流，防止電氣設備受損；氣體放電後，吸收材料（如金屬氧化物）將過電壓能量吸收並轉化為熱能散發出去。
直流防雷器還可能使用電磁感應原理，將直流電流轉換成交流電，以實現保護功能。金屬氧化物避雷器和碳化矽避雷器是兩種常見的直流防雷器技術，金屬氧化物避雷器利用氧化鋅閥片的高電阻性和非線性伏安特性，在過電壓作用下提供低阻抗通路。
碳化矽避雷器則利用火花間隙和碳化矽閥片的協同作用，吸收過電壓能量並限制放電電流。總之，這些技術共同作用，有效地保護了電力系統和設備免受過電壓損害，確保了電力系統的穩定和可靠運行。