Pompa turbomolekularna używana jest do wytworzenia wysokiej próżni. Działanie takiej pompy opiera się na nadawaniu molekułom gazu pędu w określonym kierunku przy pomocy zderzeń z szybko poruszającą się powierzchnią. Rysunek 1 przedstawia schemat ideowy pompy turbomolekularnej. Gaz z komory opróżnianej z powietrza dostaje się do pompy górnym otworem, cząsteczki są następnie uderzane przez szybko poruszające się łopatki wirnika nadające im pęd skierowany w dół, gdzie molekuły gazu są jeszcze wielokrotnie uderzane i ostatecznie kierowane w kierunku wylotu łączącego pompę z obszarem, w którym panuje próżnia wstępna utworzona najczęściej przez pompę rotacyjną.
Rys. 1. Schemat ideowy pompy turbomolekularnej
Ze względu na delikatną budowę oraz prędkości obrotowe łopatek wirnika (obraca się on nawet 60 tysięcy razy na minutę), pompa taka wymaga próżni wstępnej rzędu 10-2 mbar i musi być zabezpieczona przed przypadkowym włączeniem przy zbyt wysokim ciśnieniu. Dodatkowo popy turbomolekularne są w typowych układach UHV oddzielone od komory głównej przy pomocy pneumatycznie zamykanych śluz.
Szybkość pompowania pomp turbomolekularnych jest różna dla różnych gazów. Typowe pompy mogą osiągać szybkości pompowania dla N2 rzędu kilkudziesięciu a nawet kilkuset litrów na sekundę.