Bei Kugelmühlen handelt es sich um Trommeln, die zu 30 bis 40 % ihres Volumens mit frei beweglichen Mahlkörpern, den Kugeln, gefüllt sind. Der Durchmesser der Kugeln bewegt sich im Bereich von einem bis hin zu mehreren Zentimetern, bei feiner Mahlung werden kleinere Kugeln, bei grober Mahlung und gröberer Aufgabe größere Kugeln eingesetzt.
Die Trommel wird durch den Antrieb in langsame Drehung versetzt, dadurch wird die Schüttung aus Mahlkugeln angehoben und rollt bei einer bestimmten Schiefstellung wieder ab. Kugelmühlen werden unter der kritischen Drehzahl betrieben. Die kritische Drehzahl ist die Drehzahl, bei der die Kugeln rechnerisch auszentrifugiert werden.
Eine Mühle mit 2 m Durchmesser setzt pro m³ Schüttung bei Stahlmahlkörpern etwa 50 kW um. Das zu mahlende Gut wird durch ein Halslager kontinuierlich aufgegeben und auf der gegenüberliegenden Seite über Schlitze ausgetragen. Über die Anzahl der freien Schlitze lässt sich der austretende Gutmassenstrom einstellen. Das gemahlene Gut wird einem externen Windsichter aufgegeben, wobei der Transport von der Mühle zum Sichter häufig pneumatisch erfolgt. Das Grobgut läuft zusammen mit dem Aufgabegut wieder zurück in die Mühle.