自由活塞压缩机对动的活塞组可以做到质量完全相等，
机器运转时的惯性力可以完全平衡，故不需要配置笨重的基础。由于机组没有飞轮和曲柄连杆机构，故结构简单紧凑，机械效率较高，可以直接通过控制燃料量改变活塞的行程和机组每分钟的行程数来调节压缩机的排气量。但是，自由活塞压缩机工作的稳定性较差。
动力气缸中燃料燃烧的热能直接经活塞传给被压缩
气体，以提高其压力的
往复压缩机。自由活塞压缩机主要在建筑、矿山和船舶工业中用作移动式压缩机站，供给动力用压缩空气。
当自由
活塞式压缩机的曲轴旋转时， 通过连杆的传动， 活塞便做往复运动， 由气缸内壁、 气缸盖和活塞顶面所构成的工作容积则会发生
周期性变化。 活塞式压缩机的活塞从气缸盖处开始运动时， 气缸内的工作容积逐渐增大， 这时， 气体即沿着进气管， 推开进气阀而进入气缸，直到工作容积变到最大时为止， 进气阀关闭； 活塞式压缩机的活塞反向运动时， 气缸内工作容积缩小，气体压力升高， 当气缸内压力达到并略高于排气压力时， 排气阀打开， 气体排出气缸，直到活塞运动到极限位置为止， 排气阀关闭。 当活塞式压缩机的活塞再次反向运动时，上述过程重复出现。总之，活塞式压缩机的曲轴旋转一周，活塞往复一次，气缸内相继实现进气、压缩、排气的过程，即完成一个工作循环。
缓冲气缸配置在自由活塞压缩机左端， 单级压缩机的
气缸和祛气泵气缸配置在右端，正中为动力气缸。动力气缸活塞A与B分别与压缩机活塞和缓冲活塞直接相连。在工作行程中，压缩机气缸中的空气受到压缩并通过排气阀 A和排气管输入工程所需的贮气罐。压缩机活塞的后腔即为祛气泵气缸，这时通过吸气阀A吸气,同时缓冲气缸中的空气也受到压缩。工作行程终了时，动力气缸活塞A和B分别先后打开排气孔和祛气孔，贮气箱中的压缩空气进入动力机气缸进行祛气充气过程。回复行程时，压缩机气缸通过吸气阀B吸气,祛气泵气缸内的空气受到压缩并通过排气阀B输入贮气箱,而动力气缸中的空气受到压缩。在这种结构中，活塞A和B是靠缓冲气缸中积蓄的压缩空气能量与压缩机气缸余隙容积中的压缩空气作用下回复的。当回复行程终了时,燃料经喷嘴喷入动力气缸着火燃烧,然后在动力气缸中进行着二冲程、直流换气的
压燃式发动机的工作过程。为了保证左右两边活塞组同步工作，在自由活塞压缩机中须设置同步机构。这种机构制造简单，无噪声，同时机构本身能承受一定的负荷。另一类常用的同步机构是齿轮齿条机构。