Kulový mlýn se skládá z horizontálního bubnu, dutých podávacích a výtlačných hřídelí a mlecí hlavy. Buben je dlouhá, válcovitá struktura obsahující mlecí médium. Mlecím médiem jsou obvykle ocelové kuličky, uspořádané v různých průměrech a proporcích, vyrobené z ocelového plechu a připevněné k bubnu ocelovou vložkou. Lze použít i ocelové segmenty. Materiály jsou vybírány na základě velikosti jejich částic. Materiály jsou přiváděny do bubnu přes dutou hřídel na podávacím konci mlýna. Jak se buben otáčí, mlecí médium se vlivem setrvačnosti, odstředivé síly a tření drží na vložce bubnu a je unášeno. Když jsou vyneseny do určité výšky, jsou gravitací vrženy dolů, působí jako projektily a drtí materiál uvnitř.
Materiál je přiváděn z podávacího zařízení přes dutou podávací hřídel spirálovitě a rovnoměrně do první komory mlýna. Tato komora má stupňovité nebo vlnité vložky a je naplněna ocelovými kuličkami různých velikostí. Odstředivá síla generovaná rotací bubnu vynáší kuličky do určité výšky, kde padají, narážejí a drtí materiál. Po hrubém mletí v první komoře materiál prochází jednovrstvou přepážkou do druhé komory, která je vyložena plochými výstelkami a naplněna ocelovými kuličkami pro další mletí. Práškový materiál je vypouštěn přes vynášecí rošt, čímž je dokončen proces mletí.
Jak se válec otáčí, brusné médium klouže a brousí materiál. Pro efektivní využití tohoto mlecího efektu je pro mletí větších materiálů, obvykle 20-oky, mlecí válec rozdělen na dvě části přepážkou, čímž vzniká dvoukomorový mlýn. Při vstupu do první komory je materiál rozdrcen ocelovými kuličkami. Ocelové segmenty při vstupu do druhé komory brousí materiál. Kvalifikovaná mletá hmota je vypouštěna dutou hřídelí na výstupním konci. Pro mletí menších materiálů, jako je písek, struska a hrubý popílek, lze mlecí válec konstruovat bez přepážek, čímž vznikne jednokomorový mlýn a jako mlecí médium lze použít i ocelové segmenty.
Surovina je přiváděna do dutého válce přes hrdlo dutého hřídele pro mletí. Válec je naplněn mlecím médiem různých průměrů (ocelové kuličky, ocelové tyče nebo štěrk). Jak se válec otáčí konstantní rychlostí kolem své vodorovné osy, média a suroviny v něm obsažené se vlivem odstředivé síly a tření uvolňují z vnitřní stěny válce a padají nebo se kutálejí dolů, když válec dosáhne určité výšky. Náraz rozdrtí rudu. Současně posuvný pohyb mlecího média při rotaci mlýna mele i suroviny. Rozemletý materiál je odváděn hrdlem dutého hřídele.
