Un molino de bolas es un cilindro horizontal parcialmente lleno de bolas de acero (u ocasionalmente otras formas) que gira sobre su eje, impartiendo una acción en cascada y caída a las bolas. El material alimentado a través del molino es triturado por impacto y molido por desgaste entre las bolas. Los medios de molienda se hacen generalmente de acero de alto cromo. Los grados más pequeños son ocasionalmente cilíndricos en lugar de esféricos. Existe una velocidad de rotación (la "velocidad crítica") en la que el contenido del molino simplemente se desplazaría sobre el techo del molino debido a la acción centrífuga. La velocidad crítica (rpm) viene dada por: nC = 42,29 / √d, donde es el diámetro interno en metros. Normalmente, los molinos de bolas funcionan a aproximadamente el 75% de la velocidad crítica, por lo que un molino con un diámetro de 5 metros girará alrededor de 14 rpm.

Normalmente, el molino se divide en al menos dos cámaras (aunque esto depende del tamaño de entrada de la alimentación), permitiendo el uso de diferentes tamaños de medios de molienda. Se utilizan bolas grandes en la entrada, para triturar nódulos de clinker (que pueden tener más de 25 mm de diámetro). El diámetro de la bola aquí está en el rango 60-80 mm. En un molino de dos cámaras, el medio en la segunda cámara está típicamente en el intervalo de 15-40 mm, aunque a veces se encuentran medios de hasta 5 mm. Como regla general, el tamaño del material tiene que coincidir con el tamaño del material que se está moliendo: los medios grandes no pueden producir las partículas ultrafinas requeridas en el cemento acabado, pero los medios pequeños no pueden romper grandes partículas de clínker. Molinos con hasta cuatro cámaras, lo que permite una estrecha segregación de los tamaños de los medios de comunicación, se utilizaron una vez, pero esto se está volviendo raro. Alternativas a los molinos de varias cámaras son: pares de molinos, funcionan en tándem, cargado con medios de diferentes tamaños.

Uso de la tecnología alternativa (véase Roll-presses a continuación) para triturar el clinker antes de la molienda fina en un molino de bolas.

Se pasa una corriente de aire a través del molino. Esto ayuda a mantener el molino fresco, y barre la humedad evaporada que de otro modo causaría hidratación y perturbaría el flujo de material. El aire de escape polvoriento se limpia, generalmente con filtros de bolsa.

La eficiencia de las primeras etapas de molienda en un molino de bolas es mucho mayor que la de la formación de partículas ultrafinas, por lo que los molinos de bolas funcionan más eficientemente haciendo un producto grueso, separándose las fracciones finas de éste y la parte gruesa Siendo devuelto a la entrada del molino. La proporción del material de salida del molino devuelto a la entrada puede variar del 10 al 30% cuando se está moliendo el cemento ordinario, al 85-95% para los productos de cemento extremadamente fino. Es importante para la eficiencia del sistema que la cantidad mínima de material de finura del producto terminado se devuelva a la entrada. Los separadores modernos son capaces de hacer un "corte" de tamaño muy preciso y contribuir significativamente a la reducción del consumo de energía, y tienen la ventaja adicional de que enfrían tanto el producto como el material devuelto, minimizando así el sobrecalentamiento.

Los sistemas de circuito cerrado eficientes, debido a su control estrecho del tamaño de partícula, conducen a cementos con distribuciones de tamaño de partícula relativamente estrechas (es decir, para un tamaño de partícula medio dado, tienen menos partículas grandes y pequeñas). Esto es ventajoso porque maximiza el potencial de producción de fuerza del clinker, porque las partículas grandes son inertes. Como regla general, sólo la "piel" externa de 7 μm de cada partícula se hidrata en el hormigón, por lo que cualquier partícula de más de 14 μm de diámetro siempre deja un núcleo sin reaccionar. Sin embargo, la falta de partículas ultrafinas puede ser una desventaja. Estas partículas normalmente empacan los espacios entre las partículas más grandes en una pasta de cemento, y si el déficit está compensado con agua extra, conduce a una menor resistencia. Esto se puede remediar incluyendo 5% de carbonato de calcio en el cemento: este mineral suave produce ultra-finos adecuados en el primer paso a través del molino.