鋰離子電池的正極材料通常有鋰的活性化合物組成，負極則是特殊分子結構的碳．常見的正極材料主要成分為LiCoO2，充電時，加在電池兩極的電勢迫使正極的化合物釋出鋰離子，嵌入負極分子排列呈片層結構的碳中．放電時，鋰離子則從片層結構的碳中析出，重新和正極的化合物結合．鋰離子的移動產生了電流．

化學反應原理雖然很簡單，然而在實際的工業生產中，需要考慮的實際問題要多得多：正極的材料需要添加劑來保持多次充放的活性，負極的材料需要在分子結構級去設計以容納更多的鋰離子；填充在正負極之間的電解液，除了保持穩定，還需要具有良好導電性，減小電池內阻．

雖然鋰離子電池很少有鎳鎘電池的記憶效應，記憶效應的原理是結晶化，在鋰電池中幾乎不會產生這種反應．但是，鋰離子電池在多次充放后容量仍然會下降，其原因是復雜而多樣的．主要是正負極材料本身的變化，從分子層面來看，正負極上容納鋰離子的空穴結構會逐漸塌陷、堵塞；從化學角度來看，是正負極材料活性鈍化，出現副反應生成穩定的其他化合物．物理上還會出現正極材料逐漸剝落等情況，總之最終降低了電池中可以自由在充放電過程中移動的鋰離子數目．