航空伽马能谱仪的读出参量为放射性元素含量的质量分数（单位为%，10^-6或微克/克）。航空伽马能谱仪主要用于放射性矿产地质勘查，也用于非放射性矿产、区域地质、水文地质、工程地质、环境地质调查，以及辐射环境测量和核事故应急监测等。在放射性勘探领域，普遍采用大体积碘化钠（铊）与光电倍增管组成的闪烁计数器为伽马射线探测器，能量分辨为8%左右（对铯-137源放出的0.661兆电子伏伽马射线特征峰的相对半高宽度）。航空伽马能谱仪探头由5条大体积碘化钠（铊）晶体组成一箱，每条晶体大小为（100×100×400）立方毫米。5条晶体呈“品”字形紧密排列，下面排列4条晶体（称为下测晶体），用于测量浅表层放射性元素放出的伽马射线；上面安置1条晶体（称为上测晶体），用于测量大气中氡子体放出的伽马射线，实时校正大气中氡浓度变化对测量结果的影响。对中、小比例尺的航空伽马能谱测量工作，飞行器主要采用固定翼飞机和直升机，测量时间为1秒，飞行速度150～240千米/小时，飞行高度约120米。在航空放射性测量标准模型上，对仪器谱伽马射线特征峰面积计数的标定，才能实现航空伽马能谱仪对地质目标物中放射性元素含量的测定。为了提高对地探测的灵敏度，在飞行器上安装两箱甚至三箱晶体组成航空伽马能谱探头。对两箱晶体探头的航空伽马能谱仪来说，对地探测的空中灵敏度可达到140cps/10^-6eU（总道）、70cps/%（钾道）、9cps/10^-6eU（铀道）和5cps/10^-6（钍道）（cps：每秒计数；eU：平衡铀含量）。在环境辐射测量和核事故应急监测领域，航空伽马能谱仪还用于调查区域性放射性水平（本底），监测放射性烟羽和测定污染区附加剂量。

早期的航空伽马能谱仪一次测量记录四种能量（或范围）的伽马射线强度，称为四道（铀道、钍道、钾道和总道）航空伽马能谱仪。其中三种为铀系列、钍系列和钾-40放出的特征伽马射线能量，分别是1.76兆电子伏（铋-214）、2.62兆电子伏（铊-208）、1.46兆电子伏（钾-40）；另一种是0.1～3兆电子伏的伽马射线总强度，称为总道。20世纪90年代以后，四道航空伽马能谱仪逐渐被多道（256/512/1024/2048/4096道）航空伽马能谱仪所替代，如1024道航空伽马能谱仪每道的能量间隔约为3.0千电子伏。