位于负极的镉(Cd)和氢氧化钠(NaOH)中的氢氧根离子(OH-)化合成氢氧化镉，并附著在阳极上，同时也放出电子。电子沿著电线至阴极，和阴极的二氧化镍与氢氧化钠溶液中的水反应形成氢氧化镍和氢氧根离子，氢氧化镍会附著在阳极上，氢氧根离子则又回到氢氧化钠溶液中，故氢氧化钠溶液浓度不会随著时间而下降。
镍镉电池正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成，石墨不参加化学反应，其主要作用是增强导电性。负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成，氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性，防止结块，并增加极板的容量。活性物质分别包在穿孔钢带中，加压成型后即成为电池的正负极板。极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开。电解液通常用氢氧化钾溶液。与其它电池相比，NiCd电池的自放电率(即电池不使用时失去电荷的速率超科电池)适中。NiCd电池在使用过程中，如果放电不完全就又充电，下次再放电时，就不能放出全部电量。比如，放出80%电量后再充足电，该电池只能放出80%的电量。这就是所谓的记忆效应。当然，几次完整的放电/充电循环将使NiCd电池恢复正常工作。由于NiCd电池的记忆效应，若未完全放电，应在充电前将每节电池放电至1V以下。
镍镉电池充电
在0.05C至大于1C的范围内对NiCd电池恒流充电。一些低成本充电器使用绝对温度终止充电。虽然简单、成本低，但这种充电终止方法不精确。更好的方法是通过检测电池充满时的电压跌落终止充电。对于充电速率为0.5C或更高的NiCd电池，-ΔV方法是最有效的。-ΔV充电终止检测应与电池温度检测相结合，因为老化电池和不匹配电池可能减少ΔV。
通过检测温升速率(dT/dt)可以实现更精确的满充检测，这种满充检测比固定温度终止对电池更好。基于ΔT/dt和-ΔV组合的充电终止方法可避免电池过充，延长电池寿命。快速充电可改善充电效率。在1C的充电速率下，效率可以接近1.1 (91%)，充满一个空电池的时间为1小时多一点。当以0.1C充电时，效率便下降到1.4 (71%)，充电时间为14小时左右。
因为NiCd电池对电能接收程度接近100%，所以几乎所有的能量在充电开始的70%期间被吸收，而且电池保持不发热。超快速充电器利用该特点，在几分钟内将电池充到70%，以几C的电流充电而无热量产生。充到70%后，电池再以较低速率继续充电，直到电池充满。最后以0.02C至0.1C的涓流结束充电。
