شیر توپی با یک مکانیسم ساده و هوشمندانه کار می‌کند: در مرکز آن یک گوی سوراخدار قرار دارد که با چرخش ۹۰ درجه‌ای دسته شیر، مسیر جریان را باز یا بسته می‌کند. وقتی دسته شیر را موازی با لوله بچرخانید، سوراخ گوی در مسیر جریان قرار گرفته و سیال آزادانه عبور می‌کند (حالت باز). با چرخش دسته به حالت عمود بر لوله، گوی می‌چرخد و سوراخ آن عمود بر مسیر جریان قرار می‌گیرد که باعث قطع کامل جریان می‌شود (حالت بسته). دو حلقه پلیمری (نشیمنگاه) که گوی را احاطه کرده‌اند، در حالت بسته کاملاً فشرده شده و از هرگونه نشتی جلوگیری می‌کنند. این طراحی باعث می‌شود شیر توپی بتواند در کسری از ثانیه جریان را قطع یا وصل کند، بدون اینکه افت فشاری ایجاد شود و با اطمینان کامل در فشارهای بالا کار کند.