Seperti semua baterai, baterai penyimpanan timbal menggunakan reaksi kimia untuk menyimpan dan menghasilkan energi listrik. Baterai timbal menggunakan timbal dan timbal oksida untuk komponen katoda dan anoda baterai dan asam sulfat untuk elektrolit. Baterai ini mudah dan murah untuk diproduksi, dapat memberikan debit puncak yang tinggi, dan dapat diisi ulang. Namun, baterai ini tidak menyimpan energi per unit berat sebanyak baterai yang lebih modern. Jenis baterai ini banyak digunakan untuk menyalakan starter listrik kendaraan bermotor dalam aplikasi lain di mana biaya lebih merupakan faktor daripada berat.
Semua baterai menggunakan katoda dan anoda, terbuat dari zat yang akan bertukar elektron satu sama lain untuk mencapai keadaan seimbang jika bukan karena adanya larutan elektrolit yang menghambat transfer elektron ini. Ketika arus diambil dari baterai, elektron dibiarkan mengalir di antara dua kutub, dari anoda ke katoda, dan reaksi kimia yang terhambat terjadi. Tidak ada elektrolit yang mampu mengisolasi anoda dan katoda dengan sempurna, sehingga semua baterai kehilangan daya secara perlahan seiring waktu. Sebagian besar baterai penyimpanan timbal menggunakan banyak sel, sehingga reaksi kimia yang sama terjadi di setiap sel pada waktu yang sama, sebuah proses yang meningkatkan potensi pelepasan puncak baterai sekaligus mengurangi daya total yang dapat disimpannya.
Dalam baterai penyimpanan timbal, baik anoda dan katoda berinteraksi secara kimia dengan larutan elektrolit juga. Dalam baterai yang terisi, anoda terdiri dari timbal dan katoda dari timbal oksida. Saat baterai habis, kedua elektroda diubah menjadi timbal sulfat, karena rendaman elektrolit menjadi semakin tidak asam, sampai hanya air yang tersisa dalam larutan. Proses ini dibalik ketika baterai penyimpanan timbal diisi, dan dengan pengisian penuh, larutan elektrolit baterai timbal-asam adalah rendaman yang sangat asam dari sepertiga asam sulfat.
Baterai jenis ini relatif mudah dibuat, karena semua bahan yang diperlukan berlimpah. Karena rasio daya terhadap berat yang relatif rendah dalam baterai penyimpanan timbal, bagaimanapun, beberapa kompromi harus dilakukan dalam desainnya. Baterai yang dirancang untuk mengalirkan banyak arus, seperti yang digunakan untuk menghidupkan kendaraan bermotor, harus dibuat dengan menggabungkan banyak sel baterai yang lebih kecil dengan elektroda yang lebar, tipis, dan rapuh. Ketika daya dibutuhkan dalam jangka waktu yang lebih lama, baterai penyimpanan timbal harus mengandung sel yang lebih sedikit tetapi lebih besar dan lebih tahan lama. Baterai penyimpanan timbal seperti itu akan menjadi pilihan yang buruk untuk memulai kendaraan tetapi sangat baik untuk menyediakan sejumlah kecil daya portabel untuk perangkat cadangan komputer atau untuk peralatan seperti mesin pemotong rumput listrik, yang tidak perlu melakukan perjalanan jauh dari sumber listrik.