Das Theremin wird durch den Abstand beider Hände zu zwei Antennen berührungsfrei gespielt, wobei eine Hand die Tonhöhe, die andere die Lautstärke verändert. Zusätzlich reagiert es auch auf Körperbewegungen von Personen, die sich in der Nähe befinden. Die Bewegungen bewirken hierbei Kapazitätsänderungen in den an die Antennen angeschlossenen Schwingkreisen, wobei Antenne und Hand zwei Platten eines Kondensators darstellen.

* Die Niederfrequenz entsteht durch Mischung der Ausgangssignale zweier Hochfrequenzoszillatoren unterschiedlicher Frequenz. Einer davon wird durch die Annäherung einer Hand an eine angeschlossene Antenne etwas verstimmt, was zu einer merklichen Änderung der Schwebungsfrequenz führt. Diese wird direkt auf einen Verstärker ausgegeben.

* Die Frequenz eines dritten Oszillators wird in eine Spannung gewandelt, die als Steuergröße für die Lautstärke dient.

Auf Grund dieses Funktionsprinzips kann das Theremin kontinuierlich alle Töne über einen großen Ambitus von bis zu 9 Oktaven erzeugen.

In der Originalversion war das Theremin mit Röhrenoszillatoren ausgestattet, dabei wurde eine Tetrode genutzt, um die Differenzfrequenz (Schwebung) zu erzeugen. Moderne Theremine arbeiten vielfach mit Transistoroszillatoren. Nach Termen entwickelte vor allem Robert Moog das Instrument weiter, auch in Varianten als Bausatz. Bauanleitungen erschienen auch in Zeitschriften und Elektronikbüchern.

Durch das Funktionsprinzip ist eine kontinuierliche Veränderung der Tonhöhe (Glissando) möglich, das Theremin ist daher nicht auf Tonleitern beschränkt.