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於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並壓縮彈簧。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，圖示的單向離合器在任何時候都允許其外圈相對於內圈作逆時針轉動。換一種說法，即允許其內圈相對於外圈作順時針轉動。
但在工作過程中，若單向離合器的外圈試圖相對於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於內圈作順時針轉動，或內圈相對於外圈作逆時針轉動。
外圈與滾子的接觸面製成凸輪型線表面，並具有一定的楔入角。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，由於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於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。這裡，最易發生的是表面疲勞磨損，典型的失效形式是點蝕剝落。製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。
由於單向離合器工作時，滾子始終受到旋轉離心力的作用，因而總是試圖從與外圍的接觸點向外偏移。所以，必須藉助彈簧將滾子向開口槽小端壓緊，以制止這種偏移，這也就是為什麼要求彈簧應有一定預緊力的原因。
ASNU滾柱式超越離合器