指南車是中國古代用來指示方向的一種裝置，它實現指向功能主要依靠齒輪傳動和差動原理。

具體來說，指南車靠人力帶動兩輪行走，車內的木制齒輪會隨之轉動。當車子轉向時，兩個車輪產生差動，這種差動帶動指向木人與車轉向方向相反但角度相同，從而始終指向出發時設定的方向。

比如，有一種常見的結構是兩輪的差動使斜面軸向頂推帶動曲軸轉動，帶動車上指向木人與車轉向角度相同但方向相反，保證了車在運動中指示方向不變。還有在車轉向時，推桿內端帶動弓狀體旋轉，通過杠桿、連桿的傳動，曲軸旋轉，柔性弓弦釋放彈力可使曲軸順利通過止點位置，防止卡住。

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，附輪使小平輪轉動，小平輪再帶動中心大平輪，指南木人的立軸裝在大平輪中心。車轉彎時，操作車上離合裝置可控制大平輪轉動，使木人指向不變。

吳德仁改進了燕肅的指南車，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有多種結構。其中兩輪的差動使斜面軸向頂推的結構，較為接近歷史實際條件。另外，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，但它們存在使用條件嚴格、指向誤差大、實用性差、結構復雜等問題。還有一種差動輪系的原理，根據左右輪轉動速度的差來調整木人的指向。當車直行時，行星輪只自轉，行星架不動；車轉彎時，左右輪轉速不同，行星輪除自轉外還公轉，使行星架轉動，通過控制齒輪間傳動比，讓木人的轉動抵消車身轉動，始終指向南方。