Turbomolekularvakuumpumpen finden Anwendung in Bereichen, die ein sauberes Hoch- oder Ultrahochvakuum erfordern. Beispiele hierfür sind Forschung und Entwicklung sowie industrielle Anwendungen wie die Beschichtungsindustrie und analytische Messgeräte.
Im Wesentlichen handelt es sich bei einer Turbomolekularpumpe um eine Turbine, die sich schnell in einem Gehäuse dreht. Die Turbinenstufen sind mit Rotorblättern ausgestattet, während zwischen den rotierenden Rotorblättern stationäre Statorscheiben angeordnet sind, die Blätter in entgegengesetzter Richtung besitzen.
Durch die Übertragung von Drehmoment von den rotierenden Rotorblättern auf Gasmoleküle wird die anfänglich ungeordnete thermische Bewegung der Gasmoleküle in eine gerichtete Bewegung vom Einlassflansch der Pumpe in axialer Richtung zum vorderen Vakuumflansch umgewandelt.
Im Bereich des molekularen Durchflusses (d. h. bei Drücken unter 10-3mbar (0,75 x10-3 Torr)) ist der mittlere freie Weg der Gasmoleküle größer als der Abstand zwischen den Rotor- und Statorblättern, der in der Regel einige Zehntel eines Millimeters beträgt. Infolgedessen kollidieren die Moleküle hauptsächlich mit den optisch dichten Rotorblättern, was zu einer äußerst effizienten Pumpwirkung führt.
Im laminaren (konstanten) Durchflussbereich (d. h. bei Drücken über 10-1mbar (0,75 x 10-1 Torr)) wird die Wirkung des Rotors durch häufige Kollisionen zwischen den Molekülen selbst beeinträchtigt. Aus diesem Grund ist eine Turbomolekularpumpe nicht in der Lage, Gase bei atmosphärischem Druck zu pumpen.