กลไกการทำงานของถุงลมนิรภัยประกอบด้วยเข็มจุดระเบิดและลูกบอลเหล็กที่สวมอยู่อย่างคับๆ ในทรงกระบอก ในภาวะปกติเข็มจุดระเบิดจะถูกดันไว้ด้วยล้อพระจันทร์ครึ่งเสี้ยว เข็มจึงไม่สามารถพุ่งไปกดปุ่มระเบิดได้ เมื่อรถหยุดลงอย่างกระทันหันลูกบอลซึ่งมีมวลมากและความเฉื่อยมาก ยังคงไม่หยุดและเคลื่อนที่ไปข้างหน้าไปดันแขนด้านบนให้เอนออกไป ทำให้ล้อพระจันทร์ครึ่งเสี้ยวที่ติดอยู่กลางแขนหมุนหลุดออกจากเข็มจุดระเบิด สปริงจะดันให้เข็มพุ่งออกไปกดปุ่มระเบิด

ทำให้ถุงลมนิรภัยพองตัวอย่างรวดเร็วด้วยก๊าซที่อัดเข้าสู่ตัวถุงลมนิรภัยซึ่งเกิดจากปฏิกิริยาเคมีสารเคมีที่ใช้กัน คือโซเดียมเอไซด์(Sodium Azide) เมื่อถูกจุดระเบิดทางเคมีแล้ว จะสร้างก๊าซไนโตรเจนขึ้นมา แล้วไหลเข้าไปบรรจุในถุงลมนิรภัยที่พับตัวอยู่อย่างรวดเร็ว โดยก๊าซไนโตรเจน นี้มีคุณสมบัติเป็นก๊าซเฉื่อย ไม่มีอันตรายต่อร่างกายมนุษย์

นอกจากมีก๊าซไนโตรเจนแล้วยังมีสารเคมีอื่นๆที่เกิดจากการระเบิดนี้ ได้แก่ โซเดียมไฮดรอกไซด์โซเดียมคาร์บอเนตและออกไซด์อื่นๆ สารเหล่านี้มีความเป็นด่างอยู่บ้าง และอาจติดมาตามผิวหนังและใบหน้าของผู้ขับขี่ได้

ถุงลมนิรภัยจะพองตัวและยุบตัวลงอย่างรวดเร็วมาก บางคนอาจกังวลว่าถ้าถุงลมพองตัวขึ้นมาแล้ว หน้าเราอาจจมค้างอยู่อาจหายใจไม่ออกและมองไม่เห็นทาง แต่ในความเป็นจริงผู้ผลิตได้เจาะรูระบายก๊าซขนาดใหญ่ไว้ที่ด้านหลังของถุงลม ความเร็วของถุงลมนิรภัยขณะพองตัวนั้นสูงกว่า 200กิโลเมตร/ชั่วโมง เมื่อพองตัวแล้วจะยุบตัวลงเร็วมากใช้เวลาเป็นวินาทีเท่านั้นผู้ผลิตต้องออกแบบ การพับ การประกอบ และรูปทรงของถุงลมนิรภัย ไว้อย่างดี มิฉะนั้นจะเหมือนกับเอาถุงพลาสติกมาพุ่งชนผิวหนังด้วยความเร็วสูง ทำให้เกิดรอยไหม้บริเวณผิวหนังได้ การออกแบบเบาะนั่ง จึงมีความสำคัญ ในการเสริมสร้างประสิทธิภาพของถุงลมนิรภัย ซึ่งเคยมีรายงานว่า เกิดการบาดเจ็บของสะโพกและขา ซึ่งเกิดเนื่องจาก

ตัวผู้ขับขี่ไถลลงไปจากเบาะนั่ง เรียกว่า Submarineเป็นที่มาของการออกแบบเบาะที่นั่งแบบ Antisubmarine ที่จะป้องกันการลื่นไถลแต่ต้องใช้งานร่วมกันกับเข็มขัดนิรภัยและการออกแบบโครงสร้างตัวถังรถยนต์ให้มีความแข็งแรง ด้วย