不倒翁之所以不会倒，就是因为不倒翁它整个很轻，但在它的底部有一个很重的东西，所以它的重心很低，这时在重力的作用下会使它将支点摆动，而摆动的效果也会随着外力增加而增大，使它恢复原位的趋势也就越显著，所以不倒翁是不会倒的。
不倒翁的形体结构为空心壳体，重量很轻；底部则是一个实心的半球体，重量较大，其重心也就在其之内。不倒翁始终用一个接触点站立在支撑面上，它永远是一个独脚体。当它在一个平面上时，会受到两个外力的作用，只有这两个力大小相等、方向相反，作用在同一直线上，不倒翁就能够保存平衡的状态。当不倒翁倾斜时，受到两个外力的作用，我们称其为干扰和抵抗（由自身的重力形成）。
由于外力的作用，不倒翁倾斜，半球体向一侧滚动，接触点也就随之移动，形成了新的接触点，即形成了新的支点，此时重力的作用线和原支点不在同一条直线上，因而形成力矩，这就是抵抗力矩。正是由于抵抗力矩的形成和发展，抵抗和制止了外力作用的干预。抵抗力矩的方向和干扰力矩的方向正好相反，同时随着不限不倒翁倾斜的角度不断增大，抵抗力矩的量值也不断增大当抵抗力矩等于干扰力矩时，不倒翁就进入新的平衡状态。倾斜的平衡状态，此时外力的干扰作用也就宣布停止。由此可见，不倒翁收到外力的干扰后，原有的平衡破坏了，但新的平衡随之形成，不倒翁可以继续的保持平衡，虽然平衡的方式有所不同，但本质没有改变，这便是动态平衡。因此只有如此才能抵制外力的干扰，而恢复原有的平衡则是次要问题，因为此时的外力干扰已经清除，在整个过程中不倒翁始终保持平衡状态，这便是“平衡的属性”。综上所述这个原理在于：使重力的作用线偏离支点，使重力对支点产生力矩，即抵抗力矩。由于不倒翁的倾斜角度不断增大，重力的作用线偏离量也就越大，抵抗力矩也就随之增大，最终实现和外力力矩的平衡，不倒翁抵抗外力干扰，保持平衡的原理就是这样。
而不倒翁的原理是，上轻下重的物体比较稳定，也就是重心越低越稳定。当不倒翁在竖立状态处于平衡时，重心和接触点的距离最小，即重心最低，偏离平衡的位置后，重心总是升高的，因此这种状态的平衡是稳定平衡，所以不倒翁不论如何摇摆，它总是不倒。正如我们在科技馆看到的“锥体上滚”实验，也是这个道理，由于锥体的形状和两边轨道的形状，使它重心下降，但起来像在上升。其实他只是一种假象，看到它的本质，还是重心降低了，所以才会稳定。而在我们生活中，为增加物体的稳定性，我们常采用加重下面的重量，如电话底座、汽车站牌等，利用重心这种特点，还可以做许多有趣的实验和解释一些有趣的现象。如可以做一个轻头虫，把一粒胶囊打开，装入一个小滚珠，则它可以来回翻跟头。
最常见的不倒翁是纸身、泥底，即用纸浆灌模或用废纸粘合，如何在中心处固定一个小铁块，还有用小葫芦挖空内瓤，如何在内部灌铅等等。所有的这些不倒翁运用了相同的原理，上半身为空心壳体、下半身是一个实心的半球体，底部为圆形。这些特点使他们具有了一致的基本力学结构，都能达到“不倒”的效果。