Pompa tłokowa to urządzenie wzorowane na małym silniku. Zamiast używać cylindrów do wytwarzania mocy, pompa tłokowa wykorzystuje swoje cylindry do pompowania powietrza, cieczy lub ich kombinacji. Typowa konfiguracja wykorzystuje silnik elektryczny lub inny rodzaj silnika, który obraca wał korbowy pompy tłokowej za pomocą konfiguracji paska i koła pasowego. Gdy pompa się obraca, cylindry wtłaczają powietrze lub ciecz do zbiornika magazynowego w celu późniejszego wykorzystania. Pompa tłokowa, często wykonana z żeliwa, należy do najtrwalszych dostępnych pomp.
Wykorzystując tłoki i pierścienie tłokowe, podobnie jak te znajdujące się w silniku benzynowym, pompa tłokowa działa w podobny sposób jak mały silnik. Gdy tłok jest wciągany do cylindra, powietrze lub ciecz są zasysane przez zawór wlotowy. Gdy tłok porusza się w kierunku górnej części cylindra, powietrze lub ciecz jest wypychana z zaworu wydechowego do zbiornika rezerwowego lub magazynowego. Typowa pompa tłokowa zawiera wyłącznik ciśnieniowy, który wyłącza silnik po osiągnięciu określonej wartości ciśnienia powietrza w zbiorniku magazynowym.
Rozmiar pompy tłokowej jest zwykle określany przez rozmiar i liczbę cylindrów, które zawiera pompa, a także moc znamionową silnika napędzającego pompę. Podczas gdy zdecydowana większość pomp jest napędzana silnikami elektrycznymi, wiele pomp jest napędzanych silnikami benzynowymi, wysokoprężnymi i propanowymi. Konstrukcja pompy może być prostym cylindrem góra-dół, pompą w układzie V lub pompą promieniową. Pompa o konstrukcji promieniowej jest zazwyczaj najbardziej wydajna i pompuje największą ilość materiału.
Negatywnym aspektem konstrukcji pompy jest to, że z tarcia generowanego przez cylindry przyspieszające w górę i w dół ścian cylindra wytwarzana jest ogromna ilość ciepła. Produktem ubocznym tego ciepła jest kondensacja wody. Woda wykorzystywana do pompowania powietrza szkodzi większości operacji wykonywanych przy użyciu sprężarki powietrza. W celu zmniejszenia ilości wody wytwarzanej przez pompy tłokowe stosuje się filtry i syfony wodne zarówno przed, jak i po wprowadzeniu powietrza do zbiornika magazynowego.
Zaletą stosowania konstrukcji pompy tłokowej jest to, że pompy bardzo szybko odzyskują powietrze. Wiele narzędzi pneumatycznych, takich jak szlifierki i wiertarki, zużywa ogromną ilość powietrza. Gdyby nie konstrukcja i możliwości pompy tłokowej, narzędzia te mogłyby opróżnić cały zapasowy dopływ powietrza.