质谱仪以离子源、质量剖析器和离子检测器为中心。离子源是使试样分子在高真空条件下离子化的设备。电离后的分子因接受了过多的能量会进一步碎裂成较小质量的多种碎片离子和中性粒子。它们在加快电场效果下获取具有相同能量的均匀动能而进入质量剖析器。质量剖析器是将一起进入其间的不同质量的离子，按质荷比m/e巨细别离的设备。别离后的离子依次进入离子检测器，收集扩大离子信号，经计算机处理，绘制成质谱图。离子源、质量剖析器和离子检测器都各有多种类型。质谱仪按应用范围分为同位素质谱仪、无机质谱仪和有机质谱仪；按分辩本领分为高分辩、中分辩和低分辩质谱仪；按工作原理分为静态仪器和动态仪器。

质谱仪最重要的应用是别离同位素并测定它们的原子质量及相对丰度。测定原子质量的精度超越化学丈量办法，大约2/3以上的原子的准确质量是用质谱办法测定的。因为质量和能量的当量关系，由此可得到有关核结构与核结合能的常识。关于可通过矿石中提取的放射性衰变产物元素的剖析丈量，可断定矿石的地质年代。质谱办法还可用于有机化学剖析，特别是微量杂质剖析，丈量分子的分子量，为断定化合物的分子式和分子结构供给牢靠的根据。因为化合物有着像指纹相同的独特质谱，质谱仪在工业生产中也得到广泛应用。