其工作的基本原理是：用前向天线（施主天线）将基站的下行信号接收进直放机，通过低噪放大器将有用信号放大，抑制信号中的噪声信号，提高信噪比（S/N）；再经下变频至中频信号，经滤波器滤波，中频放大，再移频上变频至射频，经功率放大器放大，由后向天线（重发天线）发射到移动台；同时利用后向天线接收移动台上行信号，沿相反的路径由上行放大链路处理：即经过低噪放大器、下变频器、滤波器、中放、上变频器、功率放大器再发射到基站。从而达到基站与移动台的双向通信。
手机信号放大器是专门为解决手机信号盲区而设计的产品。由于手机信号是靠电磁波的传播来建立通信联系的，由于建筑物的阻隔，在一些高大建筑物里边、地下室等地方一些商场、餐厅、卡拉OK桑拿按摩等娱乐场所、地下人防工程、地铁站等许多场所，手机信号不能到达而不能使用手机。手机信号放大器可以很好地解决这些问题，只要在特定的地方安装一套手机信号放大器系统，整个范围内的手机信号都可以很好地使用，给里面的工作人员或客人带来很大的方便。
手机还有可能会收到非相邻的基站的信号，由于手机只能在相邻的基站间进行切换，就会造成其实有一个更好信号的基站的信号手机收的到却由于不相邻无法切换过去，造成所谓的“孤岛效应”。
通常输出功率在不超过信息产业部无线电管理局规定的限值的图册说明情况下，应分成若干等级供用户选用，下行主要考虑覆盖，上行保证基站满意接收。因此，下行一般大于上行。
增益是将接收到的信号放大到额定输出功率。考虑到直放站安装地点信号强度的差异，增益应是可调的。增益可以考虑将直放站接收到的信号电平放大到输出功率来计算。