走马灯的原理主要基于 热空气上升产生推力的物理现象。当灯笼内的蜡烛被点燃，空气受热后体积膨胀，密度减小，从而在灯筒内缓慢上升。移动的热空气推动被固定在转轴上的纸马或其他剪纸开始转动，这是一个内能转化为动能的过程。热空气不断上升，下端的冷空气立即循环补充，因此，除非蜡烛熄灭，否则走马灯笼将继续旋转。灯转的时候，好像有人在追逐，所以又取名为走马灯。
具体来说，走马灯内部有一个加热装置（如点燃的蜡烛或小油灯），使周围的空气内能增加，温度升高，热空气密度减小，从而在走马灯内部上升。当热空气上升到顶部时，会对顶部的一个类似于叶轮的装置做功，将内能转化为机械能，使走马灯内部的团转动。热空气的上升和冷空气的补充形成了一个持续的动力循环，推动走马灯持续旋转。同时，烛光将剪纸的影子投射在灯笼四壁上，形成了动画般的效果。
走马灯不仅是一个传统的节日玩具，其工作原理也与近代燃气涡轮机有相似之处，都是利用热空气上升产生的推力来驱动旋转装置。