一般に「ガイガーカウンター」と呼ばれる機器の多くは、ガイガー＝ミュラー計数管（GM管）と呼ばれる特殊なセンサーを心臓部に搭載しています。この管の内部にはアルゴンやネオンなどの不活性ガスと微量のハロゲンガスが低圧で封入され、中心の陽極と外側の陰極の間に高電圧（数百ボルト）が印加されています。
放射線（アルファ線、ベータ線、ガンマ線など）がこの管内を通過すると、気体分子が電離されて電子と陽イオンが発生します。この電子が高電圧によって加速され、連鎖的に周囲の気体を電離させる「タウンゼント雪崩（電子雪崩）」を引き起こします。この現象により、放射線1発の通過が電気的なパルス信号として検知され、スピーカーの「カチッ」という音やデジタル数値へと変換されるのが基本的な仕組みです。
一方で、放射線測定器にはGM管方式のほかに「シンチレーション式」や「半導体式」が存在します。シンチレーション式は、放射線が当たると微弱な光を放つ結晶（ヨウ化セシウムなど）を利用するもので、低線量のガンマ線に対して非常に高い感度を誇ります。空間の微量な変化を素早く捉えたい場合はシンチレーション式が優位ですが、機器が高価になる傾向があります。対してGM管方式は、構造が堅牢で比較的安価に製造でき、高い線量まで幅広く測定できるメリットがあります。
