柱塞泵工作時，在噴油泵凸輪軸上的凸輪與柱塞彈簧的作用下，迫使柱塞作上、下往復運動，從而完成泵油任務，泵油過程可分為以下三個階段。
【進油過程】

當凸輪的凸起部分轉過去后，在彈簧力的作用下，柱塞向下運動，柱塞上部空間（稱為泵油室）產生真空度，當柱塞上端面把柱塞套上的進油孔打開后，充滿在油泵上體油道內的柴油經油孔進入泵油室，柱塞運動到下止點，進油結束。

【供油過程】

當凸輪軸轉到凸輪的凸起部分頂起滾輪體時，柱塞彈簧被壓縮，柱塞向上運動，燃油受壓，一部分燃油經油孔流回噴油泵上體油腔。當柱塞頂面遮住套筒上進油孔的上緣時，由于柱塞和套筒的配合間隙很小（0.0015-0.0025mm）使柱塞頂部的泵油室成為一個密封油腔，柱塞繼續上升，泵油室內的油壓迅速升高，泵油壓力>出油閥彈簧力+高壓油管剩余壓力時，推開出油閥，高壓柴油經出油閥進入高壓油管，通過噴油器噴入燃燒室。

【回油過程】

柱塞向上供油，當上行到柱塞上的斜槽（停供邊）與套筒上的回油孔相通時，泵油室低壓油路便與柱塞頭部的中孔和徑向孔及斜槽溝通，油壓驟然下降，出油閥在彈簧力的作用下迅速關閉，停止供油。此后柱塞還要上行，當凸輪的凸起部分轉過去后，在彈簧的作用下，柱塞又下行。此時便開始了下一個循環。