指南車的工作原理是利用機械系統傳遞兩車輪轉向時的差動來實現指示方向。

它不是靠磁性，而是通過齒輪傳動等機械裝置運作。靠人力帶動兩輪行走，車內木制齒輪會轉動，車子轉向時兩個車輪產生差動，這個差動帶動指向木人與車轉向方向相反但角度相同，從而使木人的手始終指向出發時設定的方向。

比如有一種指南車結構，利用兩輪差動使斜面軸向頂推帶動曲軸轉動，保證仿古指南車運動時指示方向不變。

還有當指南車向右轉動，推桿內端帶動弓狀體逆時針旋轉，通過杠桿、連桿傳動使曲軸順時針旋轉，柔性弓弦在到達止點位置時釋放彈力助曲軸順利通過。

宋代指南車內部是齒輪傳動系統，燕肅的指南車是雙輪獨轅車，車中有 7 個齒輪，車輪轉動帶動附輪、小平輪、大平輪，通過離合裝置控制大平輪轉動使木人指向不變。

吳德仁重新設計的指南車發明了繩輪離合裝置，解決了不能轉大彎的問題。

現代對指南車的復原中，采用兩輪差動使斜面軸向頂推的結構簡單且接近歷史實際條件，還有利用齒輪傳動系統和自動離合裝置或采用差速齒輪原理結構的指南車，但存在使用條件嚴格、指向誤差大等問題。

總之，指南車通過巧妙的機械設計和齒輪傳動，讓木人無論車子如何轉向都能指示固定方向。