鎳氫電池是以金屬氫化物為負極，氫氧化鎳電極為正極，氫氧化鉀溶液為電解液，電池的電極反應如下：

正極
充電：Ni（OH）2+OH—NOOH+H2O+e
過充電：40H—2H2O+O2+4e
放電：NiOOH+H20+e—N（OH）2+OH
過放電：2H20+2e—H2+2OH
負極
充電：M+H2O+e—MH+OH
過充電：2H20+O2+4e—40H
放電：MH+OH—M+H2O+e
過放電：H2+2OH—2H20+2e

總電池反應：MH+NOOH=M+Ni（OH）2

充電時，正極上的Ni（OH）2轉變為NiOOH，水分子在貯氫合金負極M上放電，分解出氫原子吸附在電極表面上形成吸附態的MHad，再擴散到貯氫合內部而被吸收形成氫化物MHab。氫在合金中的擴散較慢，擴散系數一般都在107~108cm·s1。擴散成為充電過程的控制步驟。
這個過程可以表示如下：
M+H20+e—MH2d+ OH
MHad—aMHab
aMHb—β-MH
MHad+ MHa-—2M+H2
MHad+H2O+e—M+H2+OH

在電極充電初期，電極表面的水分子在金屬鎳的催化作用下被還原成氫原子，氫原子吸附在合金的表面上，

形成吸附態氫原子MH2d。吸附在合金表面上的氫原子擴散進入合金相中，與合金相形成固溶體a-MHab。
當溶解于合金相中的氫原子越來越多，氫原子將與合金發生反應，形成金屬氫化物βMH。當氫原子濃度進一步提高時，將發生氫原子的復合脫附或電化學脫附。
過充電時，由于陽極上可以氧化的Ni（OH）2都變成了NiOOH（除了活性物質內部被隔離的N（OH）2之外），這時OH失去電子形成O2，O2擴散到負極，在貯氫合金的催化作用下得到電子形成OH，也可能與負極產生的氫氣復合成水，放出熱量，使電池溫度升高，同時也降低了電池的內壓。負極上由于貯氫合金已吸飽了氫不能再吸氫，這時，水分子在負極上放電形成H2，H2再在貯氫合金的催化作用下與正極滲透過來的氧氣復合成水。
放電時，NiOOH得到電子轉變為Ni（OH）2，金屬氫，化物（QMH）內部的氫原子擴散到表面而形成吸附態的氫原子，再發生電化學反應生成貯氫合金和水。氫原子的擴散步驟仍然成為負極放電過程的控制步驟。
過放電時，正極上可被還原的NiOOH已經消耗完了（鎳氫電池一般設計為負極容量過量），這時H2O便在鎳電極上還原
正極（鎳電極）：2H20+2e>Hz+2OHT
負極（貯氫合金電極）：H2+2OH>2H20+2e
這樣氫氣在鎳電極上生成，又在貯氫合金電極上消耗掉。這時電池的電壓變成“負”的，即鎳電極電位反而比氫電極電位更負，所以也稱為反極。

在電池反應中，貯氫合金擔負著貯氫和電化學反應的雙重任務。
從上面的過程可以看出，在過充和過放過程中，由于貯氫合金的催化作用，可以消除產生的O2和H2從而使電池具有耐過充過放電能力。但隨著充放電循環的進行，儲氫合金逐漸失去催化能力，電池內壓便升高了。為了保證氧的復合反應，消除氧氣壓力，設計電池時，負極容量過量，電池容量由正極限制。實現電池密封時，才能保證電池的安全。