鋰離子電池正極一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰，鎳鈷錳酸鋰材料，電動自行車則普遍用鎳鈷錳酸鋰（俗稱三元）或者三元+少量錳酸鋰；負極一般為活性物質石墨，或近似石墨結構的碳，正極與負極之間的隔膜為一種特殊成型的高分子薄膜，孔徑滿足良好的離子通過性，同時具有電子的絕緣性，即可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過。

電解液在正負電極間起到運輸電荷的用途，一般為溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑，聚合物的則使用凝膠狀電解液。

鋰離子電池在充電時，正極釋放鋰離子，鋰離子通過電解液穿過隔膜，運動到負極，與腹肌的電子結合在一起，此時正極發生的化學反應為LiCoO2=Li(1-x)CoO2+xLi++xe-(電子)，負極發生的化學反應為6C+xLi++xe-=LixC6。

鋰離子電池在放電時，鋰離子運動方式正好相反，鋰離子從負極進入電解液，穿過隔膜最終到達正極，而電子則由外部電路從負極到正極（電子運動方向與電流方向相反），與正極的鋰離子結合，此過程可以使鋰離子電池向外輸出電能。