咖啡機無非就是把加壓的熱水高速通過咖啡粉，濾出咖啡液。所以咖啡機的核心就是：加熱系統和加壓系統。同時西方，科學的角度沖泡咖啡，務求每次都能拿捏到最佳的沖泡條件。每個環節都儘量力求 repeatable、consistent、controllable。咖啡機的設計就是圍繞這些主題發展。
加熱系統
加熱方式由以前的明火發展到電熱——水煲內裝發熱線。由於單個水煲同時供應沖泡用熱水、一般飲用的熱水、和打奶泡的蒸氣，任何一種消耗都會使機內的溫度和壓力都會變得不穩定。舉例，開熱水，水量會變少，就會引入外來的常溫水補充，即時令水煲內的溫度驟降，沖泡用的熱水就難免受影響；所以要等水煲的溫度提升才能沖泡。
於是有人發明雙水煲，把泡咖啡用的熱水煲獨立出來。
兩個水煲占的空間大而且成本高，這時有人想到用熱交換（Heat Exchange）的設計。泡咖啡用的水引入一條水管內，然後水管在熱水煲內行走，吸取水煲的熱力，這樣得到熱量之餘依然和蒸氣熱水煲分隔。
後來又有新設計——熱塊（Heat Block）。最初的設計在兩塊金屬上刻出坑道，裝上發熱線，然後兩塊合起來，水在裏面走過吸取熱塊的熱量。直接加熱金屬塊，效率高很多。Thermocoil 原理一樣，並且解決滲水問題。熱塊的缺點是加熱快但降溫難。當要控制溫度時，這點倒不如傳統的加熱方式。
上面說過穩定是一個重要元素。冷水進入水煲造成失溫，令沖煮的過程不順暢。最初的設計會在水煲內裝上機械式 Thermostat，其後用上 PID 反饋系統——探頭測得失溫就會啓動加熱。PID 除了在水煲內，貴價咖啡機也會在沖煮頭中加上 PID 和熱塊慎防水温到達沖煮頭時已經冷卻下來。
加壓系統
現在講講加壓系統。水泵就是心臟。市面上有震動泵（Vibration/Vibe Pump）、旋轉泵/旋片泵（Rotatory/Vane Pump）和齒輪泵（Rotatory/Gear Pump）。
震動泵利用線圈和磁石增壓，增壓時壓力是慢慢增加的，恰巧做出預浸（Pre-infusion）的效果。整個加壓過程較慢。
旋片泵，香港一般只會叫旋轉泵。原理是轉動風車葉，把水推動加壓。無預浸的特性。用旋轉泵的機器，是用其他原理預浸的。
震動泵體積小、便宜、自帶預浸功能，但嘈吵、易壞；旋轉泵則相反。受限於價錢，平價咖啡機很少是旋轉泵。
另外還有齒輪泵，是旋轉泵的一種。使用兩個齒輪推動。兩個齒輪的齒分開時空間擴張，吸水入泵內；同時另一頭的空間減少把水逼出。比較少機器使用。齒輪泵體積可以造得很細小，一些多頭的咖啡機在每個空間有限的沖煮頭內都裝備獨立齒輪泵，用家可以獨立微調每個泵的輸出，非常厲害。至於味道上，網上有不少討論，不在此詳解。
不斷加壓對咖啡來說不是好事，所以在水泵之後設有泄壓閥（Over Pressure Valve）。這個閥門把多餘的水回流水缸，減去水泵的固定輸出（就是說明書寫的水泵規格輸出，通常是 15bar）降低壓力。可調壓力的咖啡機會在這個泄壓閥上花功夫。
結合水煲和水泵兩大系統，下面是一個現代咖啡機的例子——
- 雙水煲線圈加熱（蒸汽/熱水用、沖煮用）
- PID 温度探頭
- 沖煮頭保温熱塊
- 電腦控制
