S為點光源，M1（上邊）、M2（右邊）為平面全反射鏡，其中M1是定鏡；M2為動鏡，它和精密螺絲絲相連，轉動鼓輪可以使其向前后方向移動，最小讀數為10mm，可估計到10mm,。M1和M2后各有3個小螺絲可調節其方位。G1（左）為分光鏡，其右表面鍍有半透半反膜，使入射光分成強度相等的兩束（反射光和透射光）。反射光和透射光分別垂直入射到全反射鏡M1和M2，它們經反射后回到G1（左）的半透半反射膜處，再分別經過透射和反射后，來到觀察區域E。G2（右）為補償板，它與G1為相同材料，有相同的厚度，且平行安裝，目的是要使參加干涉的兩光束經過玻璃板的次數相等，兩束光在到達觀察區域E時沒有因玻璃介質而引入額外的光程差。當M2和M1'嚴格平行時，表現為等傾干涉的圓環形條紋，移動M2時,會不斷從干涉的圓環中心“吐出”或向中心“吞進”圓環。兩平面鏡之間的“空氣間隙”距離增大時，中心就會“吐出”一個個條紋；反之則“吞進”。M2和M1'不嚴格平行時，則表現為等厚干涉條紋，移動M2時，條紋不斷移過視場中某一標記位置，M2平移距離 d 與條紋移動數 N 的關系滿足：d=Nλ/2，λ為入射光波長。
邁克爾遜干涉儀示意圖：
經M2反射的光三次穿過G2分光板，而經M1反射的光通過G2分光板只一次。G1補償板的設置是為了消除這種不對稱。在使用單色光源時，可以利用空氣光程來補償，不一定要補償板；但在復色光源時，由于玻璃和空氣的色散不同，補償板則是不可或缺的。
如果要觀察白光的干涉條紋，臂基本上完全對稱，也就是兩相干光的光程差要非常小，這時候可以看到彩色條紋；假若M1或M2有略微的傾斜，就可以得到等厚的交線處（d=0）的干涉條紋為中心對稱的彩色直條紋，中央條紋由于半波損失為暗條紋。
邁克爾遜和愛德華·威廉姆斯·莫雷使用這種干涉儀于1887年進行了著名的邁克耳遜-莫雷實驗，并證實了以太的不存在。
