通過活塞或隔膜在氣缸內作往復運動來壓縮氣體並提高氣體壓力的壓縮機。往復壓縮機主要有往復活塞壓縮機、隔膜壓縮機、擺動活塞壓縮機、自由活塞壓縮機、滑管與滑塊壓縮機、斜盤與斜軸壓縮機及電磁驅動壓縮機等。
最典型、應用最廣的是曲軸驅動的往復活塞壓縮機（圖1）。在圓筒形氣缸中具有一個可作往復運動的活塞，氣缸上有控制進、排氣的閥門。旋轉的曲軸通過連桿帶動活塞沿氣缸內壁作往復直線運動。當活塞作向下行進時，包含含在活塞端面與氣缸之間的工作容積增大而形成真空，這時經過濾清器的空氣推開吸氣閥而被吸入氣缸。當活塞作向上行進時，吸氣閥關閉，封閉在氣缸內的氣體受到壓縮，且隨著容積的減小而壓力不斷提高。當壓縮氣體的壓力達到略高於排氣管內的空氣壓力和排氣閥彈簧的阻力時，氣體即推開排氣閥而進入排氣管。隨著曲軸的旋轉，活塞將作往復運動，氣缸容積便周期性地變化，實現瞭氣體的吸進、壓縮和排出（圖2）。用來控制氣體吸入和排出氣缸的部件稱氣閥，它在壓力差和彈簧力的作用下自行啟閉。
圖1 往復活塞壓縮機
圖2 往復活塞壓縮機結構示意圖
當空氣在氣缸內受到壓縮時，空氣和氣缸的溫度會不斷提高。為瞭保持氣缸內潤滑和摩擦件正常工作，在氣缸外層設有冷卻水套或散熱片，以防止空氣壓縮終瞭溫度超過允許值。
為瞭防止氣缸內的氣體向外泄漏，活塞上裝有金屬的或非金屬的起密封作用的活塞環。此時，氣缸內必須加油潤滑，以減少摩擦、磨損、泄漏和過高的溫度。在需要不含油的壓縮氣體或氣體不能與油相接觸的場合，采用無油潤滑壓縮機。第一類無油潤滑壓縮機采用耐磨性好的材料作活塞環和填料。這種材料具有自潤滑性，在工作時無需用油潤滑。用於壓縮機的自潤滑材料主要有石墨、聚四氟乙烯、聚酰胺或人造樹脂等。第二類無油潤滑壓縮機稱為迷宮壓縮機，是利用迷宮的原理，在活塞圓周表面上制成一系列串聯的阻流通道，以阻止氣缸內的氣體沿活塞與氣缸間的間隙向外泄漏。第三類無油潤滑壓縮機是隔膜壓縮機。