滾子式單向離合器由外圍、滾子、彈簧和內圈組成，滾子數目通常為6—8個。工作過程中，若單向離合器的外圈相對于內圈沿逆時針方向轉動，那么，滾子便在具有凸輪型線的開口槽中向大端移動并壓縮彈簧。這時，單向離合器不會出現鎖止現象，而允許外圈轉動，也就是說，單向離合器在任何時候都允許其外圈相對于內圈作逆時針轉動。換一種說法，即允許其內圈相對于外圈作順時針轉動。
但在工作過程中，若單向離合器的外圈試圖相對于內圈沿順時針方向轉動，那么，滾子便在開口槽中向小端移動，楔入內、外圈之間，將兩者鎖住，與此同時，還可以在兩者之間傳遞扭矩。此刻，彈簧的作用是改善滾子最初的楔入動作，一旦滾子楔入開口槽的小端，則單向離合器出現鎖止，從而不允許其外圈相對于內圈作順時針轉動，或內圈相對于外圈作逆時針轉動。
外圈與滾子的接觸面制成凸輪型線表面，并具有一定的楔入角。在現有結構中，此角一般為6度—8度。考慮到機加工誤差及使用中磨損的影響，為在接觸區段保持不變的楔入角，常將開口槽的凸輪表面型線加工成對數螺旋線。
滾子式單向離合器工作時，最大接觸應力發生在滾子與內、外圈的接觸處。嚴格地講，由于滾子兩側的作用力相等，而且其與內圈凸面的接觸面積要小于與外圈凹面的接觸面積，所以，最大接觸應力發生在滾子與內圈的接觸表面上。這里，最易發生的是表面疲勞磨損，典型的失效形式是點蝕剝落。制造單向離合器滾子及內、外圈的金屬材料，一般與滾動軸承材料相同。
