其基本原理为：利用特定波长的光线照射原子，使其定向排列，对外表现出宏观磁矩。在外磁场的作用下，原子的宏观磁矩将会绕进动。光学原子磁力计一般是通过测量频率来间接测量外部磁场的强度。由于碱金属元素只含有一个价电子，自旋磁矩等于核自旋和电子自旋的矢量和，所以光学原子磁力计一般采用碱金属原子（钾、铷、铯等）作为工作介质。

从物理上来说，光学原子磁力计的灵敏度可表示为：

式中为原子个数；为测量周期；为自旋弛豫时间。为了提高灵敏度，应该尽可能地延长自旋弛豫时间，增加原子个数。