Zasada działania opiera się na naruszeniu równowagi wewnątrz kuli. W najczęstszym wariancie — napędzie wahadłowym — wewnątrz powłoki zawieszony jest ciężar (wahadło) na osi z silnikami. Przesunięcie ciężaru do przodu przenosi środek ciężkości poza punkt podparcia kuli, co wytwarza moment obrotowy i kula zaczyna się toczyć w tym kierunku. Wychylenie ciężaru na boki powoduje skręt. W wariancie z kołem rozpędowym (momentowym) robot wykorzystuje zasadę zachowania momentu pędu: rozpędzenie lub wyhamowanie wewnętrznego koła zamachowego wywołuje reakcję obracającą powłokę. Istnieją też warianty „hamster-ball" (wewnętrzny pojazd jeżdżący po ściance kuli), z deformacją powłoki oraz z napędem żyroskopowym. Czujniki inercyjne (IMU) i enkodery na bieżąco mierzą orientację kuli, a układ sterowania koryguje położenie masy, bo — inaczej niż w robocie kołowym — cała elektronika obraca się razem z powłoką.
Klasyczne roboty kołowe i kroczące mogą się przewrócić, mają odsłonięte elementy ruchome wrażliwe na pył, wodę i uderzenia oraz utykają na przeszkodach. Robot kulisty rozwiązuje te problemy: gładka, zamknięta powłoka jest odporna na przewrócenie, chroni mechanikę przed środowiskiem i pozwala pokonywać przeszkody przez przetaczanie.
Sztywna (czasem przezroczysta lub elastyczna) kula, która stanowi korpus robota. Toczy się po podłożu, chroni wnętrze i zapewnia hermetyczność — odporność na pył, wodę i uderzenia.
Mechanizm ukryty w kuli, który wprawia ją w ruch przez zaburzenie równowagi. Nie ma styku z podłożem — działa wyłącznie na wnętrze powłoki.
Oficjalna
Akcelerometry, żyroskopy i enkodery śledzą położenie i obrót kuli. Są niezbędne, bo cała elektronika obraca się razem z powłoką, więc bez pomiaru inercyjnego robot „nie wie", jak jest zorientowany.
Oficjalna
Bateria (czasem doładowywana ogniwami słonecznymi) oraz łącze bezprzewodowe (np. Bluetooth). Komunikacja radiowa jest konieczna, bo szczelna powłoka uniemożliwia jakiekolwiek połączenie przewodowe.
Oficjalna
Tocząca się kula nie może przemieszczać się bezpośrednio w bok — planowanie trajektorii i precyzyjne pozycjonowanie są matematycznie trudne.
Cała elektronika (w tym kamera) obraca się razem z powłoką, więc utrzymanie stabilnego obrazu i stałej orientacji sensorów wymaga stabilizacji lub kompensacji programowej.
Na piasku, błocie czy stromych zboczach gładka kula może się ślizgać, a moment z przesunięcia masy bywa niewystarczający.
Halme, Schönberg i Wang publikują „Motion control of a spherical mobile robot", jedną z pierwszych prac o sterowaniu ruchem robota kulistego.
Firma Orbotix (późniejsze Sphero) z Boulder wypuszcza w grudniu 2011 sterowaną smartfonem kulę Sphero, popularyzując koncepcję jako zabawkę i narzędzie edukacyjne.
Sphero na licencji Disneya buduje robota BB-8 z „Gwiezdnych wojen: Przebudzenie Mocy" (premiera 4 września 2015), co czyni robota kulistego rozpoznawalnym na całym świecie.
Samsung prezentuje na CES 2020 toczącego się osobistego robota domowego Ballie, przenosząc formę kulistą do robotyki konsumenckiej i asystentów domowych.
