單頂置凸輪軸的工作原理就是在汽缸蓋內只設置一條凸輪軸，通過這條凸輪軸的轉動來控制氣門的開閉。

當發動機運轉時，凸輪軸不斷旋轉，直接或通過搖臂作用于氣門，讓氣門按照設計的時間和規律開啟和關閉。

在單頂置凸輪軸設計中，直列汽缸發動機只需一條安放在汽缸蓋上方的凸輪軸，V 形汽缸發動機則需要兩條，分別安放在一側汽缸組之上。

相比推桿式發動機，單頂置凸輪軸能減少往復運動部件及其總質量，從而提高發動機轉速，在輸出扭矩相同的情況下提高功率輸出。而且，單頂置凸輪軸能夠直接控制氣門開閉，無需像推桿式發動機那樣通過挺桿、較長的推桿以及搖臂傳遞運動，使發動機結構更加緊湊。

不過，單頂置凸輪軸也存在一些不足。由于進氣門和排氣門在進氣道中位置不同，氣門開閉時間的精確性會受到一定影響。

單頂置凸輪軸的傳動方式和一般的頂置凸輪軸類似，動力可以通過正時皮帶、鏈條甚至齒輪組傳遞到頂置的凸輪軸上。