氣冷羅茨泵的泵腔內有兩個對稱的轉子。轉子有兩個、三個和四個葉片。它是一種雙轉子容積式真空泵。兩個轉子相對旋轉，軸端齒輪帶動同步旋轉。轉子與泵腔壁不接觸，轉子間隙一般為0.15～1.0mm。泵室由間隙密封。
由于氣冷羅茨泵的泵腔轉子可高速運轉，一般為1500～3000r/min，無摩擦，無需潤滑油，實現了無油清潔的泵送過程。泵沒有往復運動部件，能達到良好的動平衡。因此，氣冷羅茨泵運行平穩，轉速高，體積小，可以獲得較大的泵速。
目前，國內外的氣冷羅茨泵大多為臥式結構，頂部有進風口，底部有出風口。這種水平結構重心低，高速穩定性好的羅茨泵的兩個轉子通過一對高精度齒輪同步旋轉。
氣冷羅茨泵的傳動多為直接傳動，大型泵采用皮帶傳動。大部分電機和傳動齒輪布置在轉子軸的兩側，便于安裝和拆卸。傳動軸傳遞的扭矩大，軸與轉子應結合牢固，軸應有足夠的強度和剛度。羅茨泵的密封非常重要。傳動軸的突出部分、兩個轉子軸承和泵腔均設有動密封，泵腔和各端蓋均設有靜密封。
為避免氣冷羅茨泵誤操作，通常設置旁通安全閥。根據羅茨泵的特殊需要，齒輪箱、軸承等部件與泵腔可分為獨立結構。
氣冷羅茨泵產生的熱量在壓縮過程中傳遞給轉子和泵體。泵體的熱量很容易散失到周圍的大氣中，因為轉子很難將熱量傳遞到泵的外部。因此，轉子與泵體之間存在溫差。轉子的熱膨脹增加。當泵負載增加時，轉子膨脹間隙消失并卡住。因此，氣冷羅茨泵應運而生，它利用冷卻的氣體或大氣直接冷卻熱轉子，從而減小轉子與泵殼之間的溫差，提高羅茨泵的耐熱性。