Trong dung dịch axit yếu luôn tồn tại một cân bằng giữa phân tử axit và bazơ liên hợp của nó, được biểu diễn như sau:[1]

HA + H2O ⇌ H3O+ + A-

Khi thêm ion H+ vào dung dịch, cân bằng sẽ chuyển dịch về phía bên trái theo nguyên lý chuyển dời Le Chatelier; và cân bằng sẽ sang phải nếu ion H+ trong dung dịch bị giảm đi theo phản ứng H+ + OH- → H2O. Do vậy, khi có tác động cân bằng mới sẽ thiết lập và làm thay đổi pH.

Hằng số phân ly axit HA được định nghĩa bằng biểu thức dưới đây:

K a = [ H + ] [ A − ] [ H A ] {\displaystyle K\mathrm {_{a}={\frac {[H^{+}][A^{-}]}{[HA]}}} }

Dùng một số thao tác biến đổi logarit ta được phương trình Henderson-Hasselbalch, trong đó pH phụ thuộc vào pKa

pH=p K a + log 10 ⁡ [ A − ] [ H A ] . {\displaystyle {\mbox{pH=p}}K\mathrm {_{a}+\log _{10}{\frac {[A^{-}]}{[HA]}}} .}

Gọi [A−] là nồng độ của bazơ liên hợp, [HA] là nồng độ của axit yếu tại thời điểm cân bằng được thiết lập. Ta có được đẳng thức pH=pKa khi nồng độ của axit và bazơ liên hợp bằng nhau, thường được gọi là bán trung hoà. Nhìn chung, việc tính toán pH của dung dịch đệm không khó khăn, chỉ cần biết các chất trong hỗn hợp, xem bảng Bắt đầu-Phản ứng-Cân bằng (hay còn gọi là ICE table).

Nên lưu ý, việc đo độ pH và tính toán pH không giống nhau. Điện cực thủy tinh điện sử dụng trong hầu hết các máy đo pH, điện cực này không chỉ dựa vào nồng độ ion hidro mà còn dựa vào hoạt tính của riêng nó do nhiều yếu tố gây ra, chủ yếu là độ mạnh ion của môi trường. Ví dụ, tính pH của dung dịch đệm phosphat thì được giá trị 7,96 nhưng pH thực lại là 7,4.

Xét tiếp ví dụ trên cho trường hợp bazơ yếu (B) và axit liên hợp (BH+).

B + H2O ⇌ BH+ + OH-.

Giá trị pKa được dùng cho axit liên hợp với bazơ trên.

Nhìn chung, một dung dịch đệm có thể tạo thành từ nhiều hơn một axit yếu và các bazơ liên hợp của nó; ta có thể tạo ra một vùng đệm rộng hơn vùng đệm ban đầu bằng cách trộn các tác nhân đệm riêng lẻ.