多級離心泵的工作原理與地面離心泵一樣，當電機帶動軸上的葉輪高速旋轉時，充滿在葉輪內的液體在離心力的作用下，從葉輪中心沿著葉片間的流道甩向葉輪的四周，由于液體受到葉片的作用，使壓力和速度同時增加，經過導殼的流道而被引向次一級的葉輪，就是這樣原理，逐次地流過所有的葉輪和導殼，進一步使液體的壓力能量增加。將每個葉輪逐級疊加之后，就獲得一定揚程，將井下液體舉升到地面。

多級離心泵的工作原理是離心泵依靠旋轉葉輪對液體的作用把原動機的機械能傳遞給液體。由于離心泵的作用液體從葉輪進口流向出口的過程中，其速度能和壓力能都得到增加，被葉輪排出的液體經過壓出室，大部分速度能轉換成壓力能，然后沿排出管路輸送出去，這時，葉輪進口處因液體的排出而形成真空或低壓，吸水池中的液體在液面壓力(大氣壓)的作用下，被壓入葉輪的進口，于是，旋轉著的葉輪就連續不斷地吸入和排出液體。

從總體上看，多級離心泵是若干個葉輪安裝在同一泵軸上，葉輪的外側是液體導流裝置及泵殼。然而，如何將葉輪組安裝在泵體內或者從泵體內取出呢？無外乎兩個辦法，一個是將泵體及導流裝置沿泵軸的軸線水平剖分，使其成為上下兩部分，這叫水平剖分式多級離心泵；另一個辦法是將泵體及液體導流裝置沿泵軸方向在葉輪之間以垂直于泵軸的平面剖切成若干個段，這叫分段式多級離心泵。