指南車的工作原理是利用機械系統(tǒng)傳遞兩車輪轉(zhuǎn)向時的差動來實現(xiàn)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(nèi)木制齒輪會轉(zhuǎn)動，車子轉(zhuǎn)向時兩個車輪產(chǎn)生差動，這個差動帶動指向木人與車轉(zhuǎn)向方向相反但角度相同，從而使木人的手始終指向出發(fā)時設(shè)定的方向。

比如有一種指南車結(jié)構(gòu)，利用兩輪差動使斜面軸向頂推帶動曲軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，推桿內(nèi)端帶動弓狀體逆時針旋轉(zhuǎn)，通過杠桿、連桿傳動使曲軸順時針旋轉(zhuǎn)，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(nèi)部是齒輪傳動系統(tǒng)，燕肅的指南車是雙輪獨轅車，車中有 7 個齒輪，車輪轉(zhuǎn)動帶動附輪、小平輪、大平輪，通過離合裝置控制大平輪轉(zhuǎn)動使木人指向不變。

吳德仁重新設(shè)計的指南車發(fā)明了繩輪離合裝置，解決了不能轉(zhuǎn)大彎的問題。

現(xiàn)代對指南車的復(fù)原中，采用兩輪差動使斜面軸向頂推的結(jié)構(gòu)簡單且接近歷史實際條件，還有利用齒輪傳動系統(tǒng)和自動離合裝置或采用差速齒輪原理結(jié)構(gòu)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(shè)計和齒輪傳動，讓木人無論車子如何轉(zhuǎn)向都能指示固定方向。