常温海绵铁除氧器采用特制的海绵铁滤料作为除氧介质。这种海绵铁滤料具有巨大的比表面积，通常是普通铁屑的5-10万倍，这为水中的溶解氧与铁发生氧化反应提供了充分的接触机会。当含有氧气的水进入除氧器并穿过海绵铁滤料层时，水中的溶解氧与铁发生彻底的氧化反应，生成Fe(OH)2和Fe(OH)3等不易溶于水的絮状沉淀物。这些沉淀物在随水流经过其余的海绵铁颗粒时会被拦截下来，从而实现除氧的目的。
具体的化学反应式如下：
2Fe + 2H2O + O2 → 2Fe(OH)2
4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 → 4Fe(OH)3