直接甲醇燃料電池的工作原理與質子交換膜燃料電池的工作原理基本相同。不同之處在于直接甲醇燃料電池的燃料為甲醇(氣態或液態)，氧化劑仍為空氣和純氧。直接甲醇燃料電池的工作原理如圖1《DMFC原理圖》所示。其陽極和陰極催化劑分別為Pt-Ru/C(或Pt-Ru黑)和Pt-C。其電極反應為
陽極：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
陰極：1.5O2+6e-+6H+→3H2O
電池的總反應為CH3OH+1.5O2→2H2O+CO2
通過熱力學關系和熱力學數據，可得到DMFC在標準狀態下的理論開路電壓(可逆電動勢)為：
E0=-△G0/nF=-(-702450)/(6×96500)=1.213V
對于DMFC理論轉換效率，由熱力學數據可得η=△G÷△H=-702450÷(-26550)=96.68%
實際上由于電池內阻的存在和電極工作時極化現象的產生，特別是甲醇有較高的氧化過電位，使得電池實際效率和比能量大大降低。