价态改变存储器的阻变材料一般为过渡金属氧化物，如二氧化钛（TiO₂）、五氧化二钽（Ta₂O₅）、二氧化铪（HfO₂）等。过渡金属往往易于变价，而且不同价态的氧化物中有些是绝缘相，而被还原到一定程度以后则会出现金属相。由于这些金属离子的迁移势垒一般远大于氧空位或者氧离子的迁移势垒，价态改变存储器主要通过氧的迁移来形成缺氧的导电细丝。

根据电极类型的不同，价态改变存储器在电形成过程中氧的移动过程有所区别。当上下电极均为惰性电极如铂（Pt）时，惰性电极很难在氧化物中诱发大量氧空位，电形成主要依靠氧离子从阴极向阳极方向的电迁移，从而不断产生新的氧空位。当一条或多条缺氧的导电细丝贯穿两个电极时，电形成过程完成。若对这种低阻态施加一定的电压，导电细丝在焦耳热的作用下易发生熔断，转变为高价的绝缘金属氧化物，阻态从低阻态变为高阻态，称为复位过程。导电细丝断裂处在高电压作用下又会重新被还原，当细丝愈合以后重新进入低阻态，称为置位过程。若电极至少有一个为易被氧化的活性电极，如钛（Ti）、铪（Hf）等活泼金属，氧化物靠近活性电极的一侧在初始状态下已存在大量氧空位，电形成时活性电极用作阳极，带正电氧空位在电场作用下从阳极向阴极方向迁移，同时伴随阳极一侧带负电的氧离子进一步向阳极活性金属中迁移。导电细丝形成后，在反向电压作用下容易激励氧离子从活性金属迁移回氧化物介质中，使细丝靠近活性电极一侧被氧化成高价的绝缘相，完成低阻态向高阻态转变的复位过程。对高阻态施加正向电压又容易促使绝缘相被还原成导电的低价氧化物或者金属单质，实现高阻态向低阻态转变的置位操作。

价态改变存储器因为以简单二元金属氧化物为主，制作简单，具有与互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor; CMOS）工艺兼容性好、成本低等优势。