Phase 1 côté air : L'air, via l'ouverture des canaux du distributeur, passe dans la membrane gauche qui se gonfle. L'arbre entraîne la membrane de droite qui se dégonfle, convoyant l'air excédentaire vers l'évacuation.
Phase 1 côté fluide : Dans la chambre gauche, le fluide sort du collecteur de refoulement sous la pression créée par la membrane. La bille d'aspiration est fermée et celle de refoulement est ouverte.
Dans la chambre droite, un vide se crée (dû au dégonflement de l'air de la membrane) permettant l'ouverture de la bille d'aspiration et le passage du fluide à travers le collecteur d'aspiration. La bille de refoulement est fermée.

Phase 2 côté air : Une fois la membrane gauche chargée, elle commence à se décharger. D'autres canaux sur le distributeur s'ouvrent alors, dirigeant l'air dans la membrane droite qui se gonfle.
Phase 2 côté fluide : Lorsque la membrane gauche se décharge, la chambre gauche se remplit de fluide. La bille d'aspiration s'ouvre en raison du vide créé, et le fluide passe à travers le collecteur d'aspiration. En revanche, dans la chambre droite, le fluide est poussé dans le collecteur de refoulement, la bille d'aspiration est fermée tandis que celle de refoulement est ouverte.

Avec seulement deux phases de travail et aucune période morte, le cycle de la pompe pneumatique à double membrane est complet et peut recommencer.