Một máy đo phổ khối đồng vị ổn định bao gồm năm hệ thống riêng biệt: đầu vào mẫu, nguồn ion, máy phân tích khối lượng, máy dò và máy ghi.

Vì máy đo phổ khối đồng vị ổn định hoạt động ở trạng thái chân không, một hệ thống đầu vào mẫu là cần thiết để mẫu có thể được chuyển từ áp suất bình thường trong phòng sang nguồn ion. Nguồn ion là sự chuyển đổi các phân tử mẫu thành các ion mẫu. Ion mẫu là một phân tử mẫu có điện tích. Cách đơn giản nhất để tạo ra một ion mẫu là loại bỏ một electron từ phân tử trung bình để tạo ra một ion dương. Nhiều nguồn ion khác nhau đã được phát triển trong nhiều năm qua, nhưng điều quan trọng về zui là các phân tử mẫu phải trở thành ion mẫu để được phân tích bởi phổ khối lượng.

Trong một máy phân tích khối lượng, điện trường hoặc từ trường, hoặc cả hai, được sử dụng để kiểm soát chuyển động của các ion mẫu để chúng có thể được tách ra tùy thuộc vào khối lượng của chúng. Mặc dù có rất nhiều máy phân tích khối lượng khác nhau, nhưng tất cả đều thực hiện cùng một chức năng - tách các ion khác nhau dựa trên khối lượng.

Máy dò có thể cảm nhận sự xuất hiện của các ion đã được tách ra, khuếch đại dòng điện của các ion cực kỳ tươi cười để xử lý điện tử hơn nữa. Mặc dù có rất nhiều loại máy dò khác nhau, nhưng tác dụng đều giống nhau, chính là phát hiện ion và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện mạnh hơn.

Máy ghi nhận tín hiệu từ máy dò, phóng to nó và ghi lại nó để có được một bản đồ phổ khối lượng. Máy ghi âm có thể là giấy ghi băng đơn giản, cũng có thể là hệ thống máy tính rất phức tạp. Bất kể trong trường hợp đó, dữ liệu đều phải được ghi lại chính xác và có thể được gọi sau này khi cần phân tích.

Phổ khối của máy đo phổ đồng vị ổn định hoạt động trong một hệ thống chân không, thường là một phần triệu hoặc một phần tỷ của áp suất thường trong phòng. Các nguồn ion, máy phân tích khối lượng và máy dò nằm trong hệ thống chân không.