עקרון העבודה של מערכת גנרטורים מבוסס על חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית ועקרון המרת האנרגיה. הליבה שלו היא להניע את רוטור הגנרטור להסתובב תוך שימוש באנרגיה מכנית, יצירת כוח אלקטרו-מוטורי המושרה בפיתולי הסטטור, ובכך להוציא אנרגיה חשמלית. ניתן לחלק תהליך זה לארבעה שלבים מרכזיים: קלט אנרגיה, שידור מכני, אינדוקציה אלקטרומגנטית ותפוקת אנרגיה חשמלית.
שלב כניסת האנרגיה מקור האנרגיה עבור מערכת גנרטורים הוא בדרך כלל דלקים מאובנים (סולר, גז טבעי) או מקורות אנרגיה מתחדשים (אנרגיית רוח, כוח מים). אם לוקחים סט גנרטור דיזל כדוגמה, סולר מעורבב עם אוויר בצילינדר, נדחס, ונדלק, מייצר גז בלחץ גבוה-בטמפרטורה- גבוהה המניע את הבוכנה בתנועה ליניארית הדדית. תנועה ליניארית זו מומרת לאחר מכן לתנועה סיבובית של גל הארכובה באמצעות מנגנון מוט חיבור. בתהליך זה, האנרגיה הכימית של הדלק מומרת לאנרגיית חום באמצעות בעירה, ולאחר מכן לאנרגיה מכנית דרך המבנה המכני, המספקת כוח לייצור חשמל לאחר מכן.
שלב ההולכה המכני התנועה הסיבובית של גל הארכובה מניעה ישירות את רוטור הגנרטור דרך צימוד. הרוטור מורכב לרוב ממגנטים קבועים או אלקטרומגנטים, שתפקידם ליצור שדה מגנטי. במחולל סינכרוני, השדה המגנטי של הרוטור מסתובב ביחס לפיתולי הסטטור, ויוצר שינוי בשטף המגנטי; במחולל אסינכרוני, הרוטור מייצר שדה מגנטי באמצעות זרם מושרה. היעילות של מערכת ההילוכים המכנית משפיעה ישירות על הביצועים הכוללים של סט הגנרטור. לכן, יש צורך להבטיח יישור מדויק של הצימוד ותמסורת חלקה כדי להפחית את אובדן האנרגיה.
שלב האינדוקציה האלקטרומגנטית כאשר השדה המגנטי של הרוטור חותך את פיתולי הסטטור, נוצר כוח אלקטרומגנטי (EMF) מושרה בפיתולי הסטטור על פי חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית של פאראדיי. פיתולי הסטטור מאמצים בדרך כלל מבנה תלת- פאזי כדי ליצור זרם חילופין תלת- סימטרי. גודל ה-EMF המושרה הוא פרופורציונלי לחוזק השדה המגנטי, מהירות הרוטור ומספר הסיבובים המתפתלים. לדוגמה, ברשת חשמל של 50Hz, מהירות הרוטור של גנרטור סינכרוני צריכה להיות מבוקרת במדויק ב-3000 סל"ד (גנרטור שני-קוטבי) או 1500 סל"ד (מחולל ארבעה-קוטבים) כדי להבטיח תדר פלט יציב.
שלב פלט הכוח זרם החילופין שנוצר על ידי פיתולי הסטטור מובל החוצה דרך טבעות החלקה ומברשות. לאחר שווסת המתח מייצב את מתח המוצא, הוא מחובר לעומס או לרשת החשמל באמצעות מפסק. ווסת המתח שולט במתח המוצא על ידי התאמת זרם עירור הרוטור כדי לשמור אותו קבוע תחת שינויי עומס. לדוגמה, כאשר עלייה בעומס גורמת למפל מתח, הרגולטור מגביר את זרם העירור, מחזק את השדה המגנטי של הרוטור ובכך מגביר את מתח המוצא.