Duy nhất trong số những nhạc cụ, theremin được trình diễn mà nhạc công không hề chạm tay vào nó. Nhạc công đứng trước nhạc cụ và di chuyển đôi tay gần 2 antenna kim loại. Khoảng cách từ một antenna quy định tần số âm thanh và khoảng cách từ antenna còn lại điều chỉnh âm lượng. Thường thì tay phải điều chỉnh tần số và tay trái điều chỉnh âm lượng, tuy nhiên một vài người lại đảo ngược sự sắp xếp này.

Theremin dùng nguyên tắc tạo phách Heterodyne để tạo ra tín hiệu âm thanh. Sơ đồ mạch điện của theremin bao gồm 2 máy dao động tần số radio. Một máy hoạt động ở tần số cố định. Máy còn lại là máy dao động đa tần số, tần số của nó được điều chỉnh bởi khoảng cách từ bàn tay nhạc công tới antenna điều chỉnh tần số. Bàn tay của nhạc công đóng vai trò là điện cực dương nối đất (cơ thể của nhạc công có thể coi như dây nối đất) của một tụ điện biến đổi trong một mạch L-C (điện cảm-điện dung). Sự khác biệt giữa tần số của 2 máy dao động tại mỗi thời điểm tạo ra một tần số âm phách trong dải tần số âm thanh, kết quả là tín hiệu âm thanh được khuếch đại và chuyển tới loa ngoài.

Để điều khiển âm lượng, bàn tay của nhạc công đóng vai trò điện cực dương nối đất của một tụ điện biến đổi khác. Trong trường hợp này, tụ điện biến đổi thay thế cho một biến trở thường được dùng để điều khiển âm lượng trong các thiết bị âm thanh. Khoảng cách giữa bàn tay của nhạc công và antenna điều chỉnh âm lượng quy định giá trị của tụ điện, qua đó điều chỉnh âm lượng của theremin. Âm thanh của đàn theremin tương đương với đàn bầu của Việt Nam và độc huyền cầm của Trung Quốc.