被測燈發出的復色光在積分球內均勻混光后被光纖輸入端頭接收，并由光纖傳送進入光譜儀，再經濾色進入輸入狹縫，投射到光柵上對光譜光功率信號進行分解。
因為作為光電轉換的光電倍增管本身無法區分光譜，所以由機械裝置轉動光柵來把一定帶寬的單色光功率信號按照波長大小依次投射到輸出狹縫，由緊貼狹縫的光電倍增管接收并把光功率信號轉換并多級放大為電信號，再由外部電路進一步放大輸出到電腦中進行處理。在這一系列過程中，技術非常復雜。
此外，測量需要準確的波長掃描(這對于光譜連續的燈的測量準確性不是問題，但對分離光譜的燈的光色參數特別是色參數測量準確性很重要，例如白熾燈的色溫測量準確度很高而三基色節能燈的色溫測量準確度較差)，測量的分辨率和準確度又與輸入輸出狹縫寬度、波長定位及掃描步長關系很大。
所以光電倍增管式光譜儀的測量速度較慢，早期的光譜儀一般需2～3分鐘，近期的也需要10秒鐘左右。