自然伽马测井井下仪器包括伽马射线探测器（由闪烁晶体和光电倍增管组成）、脉冲幅度鉴别器、分频器、整形器及电缆驱动器等。自然伽马射线穿过钻井液和仪器外壳进入探测器，闪烁晶体把地层伽马射线转变成光脉冲信号，由光电倍增管的光阴极转换为光电子，经光电倍增管放大后输出负电压脉冲，经幅度鉴别、分频、整形、功率放大，然后由电缆输送到地面，地面仪器把每分钟电脉冲数转变成与其成正比例的电位差进行记录。井下仪器沿井身移动，连续记录出井剖面上自然伽马强度曲线。自然伽马能谱测井仪不仅能测量地层天然放射性总强度，还能分析伽马能谱（见能谱测井仪）。

示踪伽马测井工作原理与自然伽马测井相同，不同之处是放射源不是地层的天然放射性核素，而是人工添加到地层中的能谱易于识别的放射性核素，广泛用于油藏动态监测。早期的散射伽马测井仪器只利用了康普顿效应测定地层密度，称为补偿密度测井仪，改进后的仪器同时利用光电效应和康普顿效应测定地层的岩性和密度，称为岩性密度测井仪，进一步发展成为伽马能谱岩性密度测井仪（见密度测井仪）。

按伽马源的种类，可分为自然伽马能谱测井、散射伽马能谱测井和示踪伽马测井。自然伽马能谱测井研究分散在地层中的天然放射性核素生成的伽马辐射场，散射伽马测井测量点状伽马源生成的散射伽马辐射场，示踪伽马测井测量由载体携带的放射性示踪剂发射的伽马辐射场。

主要用于研究地层的岩性、矿物成分、密度、孔隙度、流体运移及相关地质工程问题。

自然伽马测井示意图