Una caja de transmisión manual no puede alterar por sí misma la relación de transmisión, es el conductor quien debe hacerlo con la palanca de cambios. Por dentro es un mecanismo más simple (más duradero, más barato y más sencillo de reparar) que una caja automática. Se trata de una serie de engranajes o piñones girando a distinta velocidad sobre tres ejes: el eje de entrada, el eje intermedio y el eje de salida.

El eje de entrada recibe el par de fuerzas del motor a través del embrague y lo transmite al eje intermedio, que a su vez lo transmite al eje de salida. Unos anillos llamados sincronizadores se encargan de engranar suavemente los piñones para cambiar de marcha, pero tienen que ser accionados por el conductor mediante la palanca de cambios. Al mismo tiempo, el conductor debe pisar el embrague para desacoplar el giro del motor durante el cambio (por eso los coches manuales pierden potencia y velocidad en el proceso).