يعتمد مبدأ العمل الأساسي لـماكينة CNC على تحويل النموذج الرقمي الذي تم إنشاؤه في برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) إلى مجموعة من الأوامر الرقمية تسمى G-code، وذلك عبر برامج التصنيع بمساعدة الحاسوب (CAM). ثم يتم تفسير هذه الأوامر بواسطة وحدة التحكم في الماكينة وتحويلها إلى حركات ميكانيكية. تتطلب هذه العملية عمل ثلاثة مكونات رئيسية بتناغم: الهيكل الميكانيكي، ونظام التحكم الإلكتروني، وواجهة البرمجيات. يعتبر الهيكل الميكانيكي حاسمًا لدقة المعالجة وقابلية التكرار. عادةً ما يتم بناؤه على إطار يتكون من مقاطع ألومنيوم عالية الصلابة أو فولاذ أو مواد مركبة من الجرانيت. تضمن أنظمة الحركة الخطية (القضبان الخطية والعربات) وآليات الدفع الدقيقة (مسامير كروية – ball screws أو مسامير شبه منحرفة – lead screws) حركة سلسة ودقيقة في كل محور. توفر المسامير الكروية احتكاكًا منخفضًا ودقة عالية، بينما يمكن أن تكون المسامير شبه المنحرفة بدائل أقل تكلفة ولكنها قد تعاني من مشاكل في الفراغ الخلفي (backlash). يتم تشغيل أنظمة الدفع هذه عادةً بواسطة محركات متدرجة (stepper motors) أو محركات سيرفو (servo motors). توفر المحركات المتدرجة تحكمًا مفتوح الحلقة وفعالية من حيث التكلفة ودقة كافية، بينما توفر محركات السيرفو أداءً ودقة فائقين بفضل التحكم مغلق الحلقة الذي يوفر سرعة وعزم دوران أعلى وتغذية راجعة.

يعتبر نظام التحكم الإلكتروني بمثابة العقل الذي يحول G-code إلى حركات للمحرك. في قلب هذا النظام توجد عادةً لوحة تحكم (control board) تعتمد على متحكم دقيق. تشمل الخيارات الشائعة وحدات تحكم GRBL القائمة على الأردوينو (مثل مجموعة Uno و CNC Shield)، وSmoothieware (التي تعمل على لوحات بمعالجات 32 بت)، وحلول صناعية أكثر تقدمًا مثل LinuxCNC (مع لوحات Mesa). تقوم لوحات التحكم هذه بمعالجة G-code وإرسال إشارات الخطوة والاتجاه إلى مشغلات المحركات (A4988، DRV8825، TB6600 أو مشغلات تيار عالي خارجية للمحركات المتدرجة؛ ومشغلات سيرفو خاصة لمحركات السيرفو). يجب أن يوفر مصدر الطاقة تيارًا مستقرًا وكافيًا لجميع المكونات الإلكترونية والمحركات. يعد التحكم في المغزل (Spindle) أمرًا بالغ الأهمية اعتمادًا على المادة المراد معالجتها ونوع الأداة. يتم استخدام التحكم في السرعة القائم على PWM (تعديل عرض النبضة) لمحركات المغزل DC، بينما يتم توفير التحكم في السرعة وعزم الدوران لمحركات المغزل AC بواسطة محرك التردد المتغير (VFD). يتم ضمان السلامة بواسطة مفاتيح الحد (limit switches) وأزرار التوقف في حالات الطوارئ (E-stop)؛ تمنع مفاتيح الحد محاور الماكينة من تجاوز حدودها الميكانيكية، بينما يوقف زر التوقف في حالات الطوارئ جميع الحركات فورًا لضمان سلامة المشغل والماكينة.

أما بالنسبة للبرمجيات، فيتم استخدام برامج CAD (التصميم بمساعدة الحاسوب) (مثل Fusion 360، SolidWorks، FreeCAD، إلخ) للتصميم. يتم تحويل النماذج ثلاثية الأبعاد التي تم إنشاؤها إلى استراتيجيات معالجة ومسارات أدوات عبر برامج CAM (التصنيع بمساعدة الحاسوب) (مثل Fusion 360 CAM، Estlcam، VCarve، ArtCAM، إلخ)، والتي بدورها تولد G-code. أخيرًا، يتم إرسال G-code المنتج إلى الماكينة عبر برنامج التحكم في CNC (CNC Control Software) (مثل Universal Gcode Sender – UGS، Candle، LinuxCNC، Mach3/4، إلخ) ويبدأ عملية المعالجة. تعرض هذه البرامج عادةً موضع الماكينة، وتراقب تدفق G-code، وتوفر إمكانيات التحكم اليدوي. تعد الدقة والضبط من أهم العوامل التي تحدد أداء ماكينة CNC. تؤثر الفجوات الميكانيكية، وزاوية خطوة المحرك، والخطوات الدقيقة للمشغل، وسرعة معالجة لوحة التحكم، ومعايرة البرمجيات بشكل مباشر على هذه العوامل. لا يمكن بناء ماكينة CNC ناجحة إلا من خلال الاختيار الدقيق للمكونات، والتجميع الصحيح، والمعايرة الدقيقة.