脈搏血氧儀可觀察到血液的紅色。
血液看上去是紅色的液體，但是作為液體成分的血漿卻呈淡黃色，這是因為在血漿中懸浮著無數紅色細胞（紅血球），肉眼看才會呈現出紅色。紅血球的這種紅色其實是紅血球中稱為血紅蛋白的色素顏色，血紅蛋白與氧氣結合後會變成鮮豔的紅色。
脈搏血氧儀通過觀察動脈血的紅色程度，測出氧飽和度（與氧氣結合的血紅蛋白比例）。
右圖被稱為吸光度曲線，表示在與氧氣結合的血紅蛋白(HbO2)和釋放氧氣的血紅蛋白(Hb)中，能大量吸收哪種光。顏色用橫軸的波長表示。
在2表中，HbO2和Hb表示能大量吸收哪種波長，而不易吸收哪種波長。意味著越到線的下方，越不易吸收其波長（通過性良好）。
與氧氣結合的血紅蛋白呈紅色，這是因為隻是紅色不太被吸收而通過的緣故。即，紅色的吸光度低。另一方麵，釋放氧氣後的血紅蛋白變為深色。這是因為大量吸收光的緣故。紅色（R）照射到血液後，如果血紅蛋白和氧氣更多結合，相應的大量光線穿過手指，於是傳感器所接收的光量增多。不管血紅蛋白與氧氣結合與否，紅外光（R）均會穿過血液，沒有太大改變。
如果HbO2增加而Hb減少，傳感器所接收的紅色光（R）將會增多，而紅外光（IR）則沒有太大變化。與此相反，則紅色光減少，紅外光仍然沒有太大變化。
就是說，如果知道傳感器所接收的R/IR的比率，便可明確HbO2與Hb的比率，即氧飽和度。
脈搏血氧儀可觀察到動脈血的變化。
照射在生物體上的光，在通過血液以外的組織層、動脈層和靜脈層時，各層將接受吸收傳到傳感器。
從心髒輸出的動脈血，如同脈搏的稱呼，以波浪般形狀在血管內移動。
在極短的時間內，厚度發生變化的僅限於脈動中的動脈血。皮膚和肌肉等組織和靜脈，在極短的時間內厚度保持一定。厚度發生變化時，所穿透的光量也隨之變化，傳感器所接收的信號也相應變化。
就是說，信號的變化部分僅僅是厚度發生改變的組織的成分，即僅是動脈血的信息。
通過觀察脈動（變化成分），可了解單純動脈血的成分，從而由R和IR的變化成分比率，得出單純動脈血的氧飽和度。
脈搏血氧儀也會顯示脈搏速率，這是因為通過觀察其變動同時也可以得出脈搏信息。
由R/IR的比率用校準常數求出SpO2的百分數值。
紅色光（R）與紅外光（IR）透過光量變動成分的比例和SpO2值之間的關係，因所使用的R、IR的LED波長不同有所差異，二者的關係式稱為校準常數。
校準常數取決於在實驗中脈搏血氧儀測量值與同時采血所得SaO2值之間的相關係數的求取。
在右圖中為具有校準常數的脈搏血氧儀示例，當R與IR的比率相同時，SpO2為83％，R為IR的0.4時，SpO2為 100％。
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