便攜式紅外氣體分析儀的紅外線通過兩個氣室，一個是充以不斷流過的被測氣體的測量室，另一個是充以無吸收性質的背景氣體的參比室。工作時，當測量室內被測氣體濃度變化時，吸收的紅外線光量發生相應的變化，而基準光束(參比室光束)的光量不發生變化。從二室出來的光量差通過檢測器，使檢測器產生壓力差，并變成電容檢測器的電信號。此信號經信號調節電路放大處理后，送往顯示器以及總控的CRT顯示。該輸出信號的大小與被淵組分濃度成比例。
便攜式紅外氣體分析儀以離子源、質量分析器和離子檢測器為核心。離子源是使試樣分子在高真空條件下離子化的裝置。電離后的分子因接受了過多的能量會進一步碎裂成較小質量的多種碎片離子和中性粒子。它們在加速電場作用下獲取具有相同能量的平均動能而進入質量分析器。質量分析器是將同時進入其中的不同質量的離子，按荷質比q/m（q為電荷，m為質量）大小分離的裝置。分離后的離子依次進入離子檢測器，采集放大離子信號，經計算機處理，繪制成質譜圖。
便攜式紅外氣體分析儀正常使用時，需要考慮背景氣體和工作環境對儀器分析的影響。由于背景氣體中可能含有與待測組分特征吸收譜帶有交叉重疊的其他組分，因此通常會使用樣品處理、軟件扣除、加裝濾光氣室或加裝帶干擾組分分析模塊來消除這種影響。多數在線紅外光譜連續氣體分析儀還會采用參比通道設計來提高儀器的穩定性。在線紅外光譜連續氣體分析儀需要定期通過標準氣體的標定來確保儀器測量的準確度。
由于環境溫度和樣品溫度都會對測量產生影響，部分專業的紅外氣體分析儀會采用高溫恒溫控制測量氣室來消除這種影響。由于大氣壓力會改變樣品氣密度，從而改變氣體的紅外吸收率，因此采用樣品氣直排的紅外氣體分析儀會受到大氣壓力的影響，部分廠家會采用加裝大氣壓力測量元件，通過測量大氣壓力來補償這種影響。
