ペットボトルロケットが驚くべき初速で飛び出す原理は、宇宙航空研究開発機構（JAXA）などが打ち上げる本物の大型液体燃料ロケットと全く同一の物理法則に基づいています。その根幹にあるのが、ニュートンの運動方程式における作用反作用の法則（運動量保存の法則）です。
密閉されたボトル内部に自転車用空気入れで空気を高圧充填（約3〜5気圧）すると、空気は縮められたバネのように強大な膨張エネルギーを蓄えます。ノズルが開放された瞬間、圧縮空気が内部の水を猛烈な勢いで下方へ押し出し、その水が噴出する反作用としてロケット本体に強力な推進力（推力）が生まれます。
ここで多くの人が抱く疑問が、「なぜ空気だけでなく水を入れる必要があるのか」という点です。空気は質量が極めて軽いため、どれほど高速で噴射しても得られる反作用の運動量（質量×速度）が小さく、本体を力強く押し出せません。一方、空気の約800倍の密度を持つ水を混ぜることで、噴出時の質量を劇的に高め、重力と空気抵抗を圧倒する巨大な初期加速を獲得できるのです。
飛距離を極限まで伸ばす上で最も決定打となるのが水の量の黄金比です。教育機関や実験愛好家の検証データによると、最も効率よくエネルギーを推進力へ変換できる水量は「ボトル全容量の約25%〜33%（およそ3分の1）」であることが実証されています。
500mlの小型ボトルであれば約130ml〜160ml、1.5Lボトルであれば約450ml〜500mlが理論上のベストバランスです。水が多すぎると圧縮空気をためる容積が減って圧力が上がらず、機体が重すぎて失速します。逆に水が少なすぎると一瞬で水を吹き尽くしてしまい、加速区間が短すぎて十分な最高速度に到達できません。
