汽車變速器的工作原理主要分為手動變速器和自動變速器。

手動變速器通過撥動變速桿切換中間軸上的主動齒輪，利用不同大小的齒輪組合與動力輸出軸結合，改變驅動輪的轉矩和轉速。發動機動力輸入軸通過中間軸間接與動力輸出軸連接，中間軸的齒輪隨發動機輸出轉動，若無同步器接合，齒輪會空轉。當變速桿移動使同步器與齒輪接合，動力就能傳遞給輸出軸。

自動變速器的 AT 類型由液力變扭器、行星齒輪和液壓操縱系統組成。液力變扭器通過泵輪帶動液體推動渦輪旋轉，加上導輪產生轉速差實現變速變矩。因液力變矩器變速變矩范圍有限，所以渦輪后串聯行星齒輪提高效率，液壓操縱系統會隨發動機工作變化操縱行星齒輪，自動變速變矩。

另外，還有雙離合變速箱，它通過兩套離合器工作，能消除換擋離合時的動力傳遞停滯，使換擋更平順，沒有遲滯現象。

汽車安裝的變速器有多個不同的轉速/扭矩轉換比即檔位，以適應不同行駛速度的要求。起步需要低轉速、高扭矩，高速行駛則需高轉速、低扭矩。