X射线荧光测量仪由X射线激发源、X射线探测器和电子线路单元组成。当岩石矿物中各元素受到X射线激发源放出的X（γ）射线照射后，元素原子处于受激状态，放出特征X射线（又称为X射线荧光），特征X射线能量与该元素原子序数平方呈线性关系，特征X射线强度与该元素在岩石矿物中的含量呈正相关关系；X射线探测器将特征X射线转换为电脉冲信号，脉冲信号的幅度与特征X射线能量成正比；电子线路单元对电脉冲信号进行处理，形成脉冲幅度（或者道址）与脉冲计数之间的谱图，称为X射线仪器谱。在仪器谱上，分析和计算特征X射线特征峰峰位对应的特征X射线能量实现对地质目标物中元素的定性分析；分析和计算特征X射线特征峰面积计数实现对地质目标物中元素的定量分析。

按照发展历史和技术指标，可把便携式X射线荧光仪器分为四个世代。第一代便携式X射线荧光仪起始于20世纪60年代中期，是70年代的主流产品，以放射性同位素为X射线激发源，以NaI（Tl）闪烁计数器为X射线探测器、以模拟电子线路为硬件特征，采用能量平衡滤片对的差值测量结果来提高仪器对特征X射线的能量分辨能力，两次测量才能测定一种元素的含量，元素分析检出限一般为0.01%左右。第二代仪器以正比计数器为X射线探测器，在模拟电子线路基础上，采用了模数变换器实现多道脉冲幅度分析，并且应用嵌入式微机芯片，使仪器能够处理较简单的基体效应校正模型，直接读出元素的含量，一次数据采集可同时分析2～4种元素的含量，它是20世纪80年代的主流产品。第三代仪器以室温半导体探测器为主要特征，在电子线路单元上，引入微处理器芯片，可实时实现较复杂的X射线仪器谱的解析算法和基体效应校正模型，使便携式X射线荧光仪体积更小，是20世纪90年代末和21世纪以来的主流产品，一次测量可同时分析几种元素，甚至于二十余种元素的含量，分析检出限可达百万分之几。第四代仪器于21世纪初开始商品化应用，是以微型X射线发生器代替放射性同位素作为X射线激发源，以室温半导体探测器为X射线探测器，采用全数字化电子线路设计，并嵌入了微型摄像器、GPS芯片和高性能微处理器芯片，具有测量面图片采集、测量点定位和智能化处理等功能。