滚子式单向离合器由外围、滚子、弹簧和内圈组成，滚子数目通常为6—8个。工作过程中，若单向离合器的外圈相对于内圈沿逆时针方向转动，那么，滚子便在具有凸轮型线的开口槽中向大端移动并压缩弹簧。这时，单向离合器不会出现锁止现象，而允许外圈转动，也就是说，图示的单向离合器在任何时候都允许其外圈相对于内圈作逆时针转动。换一种说法，即允许其内圈相对于外圈作顺时针转动。
但在工作过程中，若单向离合器的外圈试图相对于内圈沿顺时针方向转动，那么，滚子便在开口槽中向小端移动，楔入内、外圈之间，将两者锁住，与此同时，还可以在两者之间传递扭矩。此刻，弹簧的作用是改善滚子最初的楔入动作，一旦滚子楔入开口槽的小端，则单向离合器出现锁止，从而不允许其外圈相对于内圈作顺时针转动，或内圈相对于外圈作逆时针转动。
外圈与滚子的接触面制成凸轮型线表面，并具有一定的楔入角。在现有结构中，此角一般为6度—8度。考虑到机加工误差及使用中磨损的影响，为在接触区段保持不变的楔入角，常将开口槽的凸轮表面型线加工成对数螺旋线。
滚子式单向离合器工作时，最大接触应力发生在滚子与内、外圈的接触处。严格地讲，由于滚子两侧的作用力相等，而且其与内圈凸面的接触面积要小于与外圈凹面的接触面积，所以，最大接触应力发生在滚子与内圈的接触表面上。这里，最易发生的是表面疲劳磨损，典型的失效形式是点蚀剥落。制造单向离合器滚子及内、外圈的金属材料，一般与滚动轴承材料相同。
由于单向离合器工作时，滚子始终受到旋转离心力的作用，因而总是试图从与外围的接触点向外偏移。所以，必须借助弹簧将滚子向开口槽小端压紧，以制止这种偏移，这也就是为什么要求弹簧应有一定预紧力的原因。
