如同磷酸铁锂电池一样，三元锂电池也是一种采用锂离子作为电荷载体的充电电池。其正极由三种不同的金属元素氧化物，即三元组成，用于存储和释放锂离子。常见的金属氧化物组合有镍钴锰氧化物（NMC），或镍钴铝氧化物（NCA）。三元锂电池的负极材料也为石墨。
以正极组成为NMC的三元锂电池为例，充电时，外部电源提供电流，正极材料中的镍、锰、钴氧化物释放出氧化物中的锂离子。其反应为：Li1-x(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 ⇌ Li+ + xLi1-x(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2，x表示锂离子的插入程度，0 ≤ x ≤ 1。同时，负极上的石墨材料吸收并嵌入锂离子，其反应为：LiC6 ⇌ Li+ + C6。放电时，过程与充电时相反，锂离子重新插入到正极材料的晶格中，负极石墨中嵌入的锂离子回到电解液中。
三元锂电池的正极材料通常采用层状结构，其中镍、锰、钴或铝离子位于层状氧化物的结构中，锂离子排布在层状结构之间。晶格结构通常属于正交晶系，其中，镍、锰、钴或铝离子以正四面体的方式占据晶格位置，而氧离子则位于正四面体之间的空隙中。
这种结构与上文提及的橄榄石结构特性恰好相反，层与层之间排布的锂离子较橄榄石结构中嵌入的更多，在平面内锂离子的移动空间更大，移动速度更快。所以，三元锂电池的能量密度和快速充放电性能均优于磷酸铁锂电池。但是层状结构的稳定性较差，层与层之间容易发生错位、坍塌，所以三元锂电池的长期循环寿命较低，安全性相比于磷酸铁锂电池较差。此外，由于三元锂电池的正极材料含有钴等稀有金属，致使其成本相对较高。
