平衡轴最常用于直列四缸发动机。由于设计上的不对称性，这类发动机存在固有的二阶振动（以发动机转速两倍的频率振动），无论内部部件平衡得多好都无法消除。
水平对置发动机的活塞水平相对布置，天然平衡，因此无需平添与平衡轴相关的额外复杂性、成本或功率损失。
这种振动之所以产生，是因为直列发动机中连杆的运动在曲轴整个旋转过程中并不对称。因此在曲轴旋转的给定时间段内，下行和上行活塞的加速度并不总是完全相反，导致每转产生两次净垂直惯性力，其强度随转速呈二次方增长——无论部件重量匹配得多精确。
发动机排量越大，问题越严重，因为增大排量的途径只有两种：加长活塞行程（增大加速度差）或加大缸径（增加活塞质量）；无论哪种方式，惯性振动的幅度都会增大。
多年来，2 升一直被视为量产直列四缸发动机在 NVH（噪声、振动与声振粗糙度）特性可接受前提下的「非官方」排量上限。
平衡轴的基本概念可追溯到 1904 年，由英国工程师弗雷德里克·兰彻斯特（Frederick Lanchester）发明并获得专利。
两根平衡轴以发动机转速的两倍反向旋转。
这些轴上等尺寸的偏心配重经过尺寸和相位设计，使其反向旋转产生的惯性反作用在水平面上相互抵消、在垂直面上叠加，从而产生一个与基础发动机二阶振动大小相等但相位相差 180 度的净力，将其抵消。
不过，该概念的实际实现方式具体到足以获得专利。
该概念面临的基本难题是：在二阶振动变得无法接受的较高转速下，如何妥善支承并润滑一个以两倍发动机转速旋转的部件。
关于双平衡轴会消耗发动机多少功率存在争议。通常给出的基本数字约为 15 马力（11 千瓦），但对纯摩擦损失而言这可能偏高。这可能是由惯性测功机的常见用法造成的计算误差——它通过角加速度而非实际稳态扭矩测量来计算功率。因此，这 15 马力（11 千瓦）既包括实际摩擦损失，也包括高速旋转轴的角惯量增加，而后者在稳定转速下并不构成损耗。尽管如此，一些车主仍会拆掉平衡轴来改装发动机，既为了找回部分功率，也为了在高性能和赛车应用中降低复杂度和潜在的故障点——因为人们普遍（但错误地）认为，拆除平衡轴后，通过对发动机往复部件进行精细平衡，仍可获得平衡轴所提供的平顺性。
