PLC的工作原理是「順序掃描，不斷循環」，具體分為輸入採樣、程式執行、輸出刷新三個階段。
在輸入採樣階段，PLC以掃描方式依次讀入所有輸入狀態和數據，並將它們存入I/O映像區中的相應單元內。輸入採樣結束後，轉入用戶程式執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，I/O映像區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。
在用戶程式執行階段，PLC總是按由上而下的順序依次掃描用戶程式。在掃描每一條程式時，又總是先掃描左邊的由各觸點構成的控制線路，並按先左後右、先上後下的順序進行邏輯運算，然後根據邏輯運算的結果刷新該邏輯線圈在系統RAM存儲區中對應位的狀態，或者刷新該輸出線圈在I/O映像區中對應位的狀態，或者確定是否要執行該程式所規定的特殊功能指令。
當掃描用戶程式結束後，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設，這時才是PLC的真正輸出。
總的來說，PLC的工作原理就是針對輸入信息，經內置的CPU處理，控制輸出單元做出預設反饋，而對於特定輸入需求的反饋定義是事先由工程師在電腦上完成編程，並將程式寫入到PLC控制器中的。