硅烷偶聯劑在提高復合材料性能方面的顯著交果早已得到確認，并有很有理論來解釋其作用機理。最為成功的是由Arkles提出化學鍵理論，即硅烷偶聯劑的硅烷氧基或水解后的硅羥基和無機物表面羥基綜合，而另一羰的有機基團則和有機高分子化合物生成共價鍵。因此，通過硅烷偶聯劑可使兩種性能差異很大的材料界面偶聯起來，從而提高復合材料的性能和增加黏結強度，并獲得性能優異的復合材料。

        在大多數應用中，硅烷偶聯要先水解成硅醇基的化合物，然后和基材表面作用。這個反應分4步。首先，烷氧基發生水解，生成的硅醇基然后脫水宿合，生成低聚硅氧烷。而低聚物中的硅醇基通過氫鍵作用吸附到基材表面，并在加熱固化過程中與基材表面的羥基縮合，從而形成共價鍵連接。需要指出的是，在水解發生后，其它反應可以同時進行。一般認為，硅烷偶聯劑水解生成的3個硅羥基中有1個與基材表面鍵合；剩下2個或與其它硅烷的羥基縮合，或呈游離狀態。從理論上來說，硅烷偶聯劑應該形成單分子層，而且單分子層也足夠賦予基材應有的表面性能。便實際上由于硅烷偶聯劑分子之間的縮合，它們一般在表面形成比單分子層厚的三維網絡結構，便這并不影響改性效果。硅烷偶聯劑的烷氧基官能團度越低，就越能形成單分子層。但和表面形成的化學鍵的強度和水解穩定性則越低。

        硅烷偶聯劑也可以在氣相無水條件下處理表面，不過這一般需要較長時間（4-12H）和較高溫度（50-120℃）。在所有烷氧基硅烷偶聯劑中只有含有甲氧基的才能在沒有催化劑存在的條件下使用。而最適合于氣相沉積法的是環狀含氮硅烷。