读出参量为被测地质目标物中放射性元素含量的质量分数（单位为%，10^-6或微克/克）。不同能量伽马射线在伽马射线探测器中转换为不同幅度的电脉冲信号，经过电脉冲信号的调理与脉冲幅度分析，形成脉冲幅度（或道数）与脉冲计数之间的谱图，脉冲幅度（或道数）与入射伽马射线能量成正比例，某脉冲幅度间隔或道宽内的脉冲计数与相对应能量的入射伽马射线强度成正比例，该谱图称为伽马射线仪器谱。在地面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，才能实现便携式伽马能谱仪对地质目标物中放射性元素含量的测定。在放射性勘探领域，普遍采用碘化钠（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）。早期的便携式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，特征伽马射线能量和能量范围分别是1.76兆电子伏（铋-214）、2.62兆电子伏（铊-208）、1.46兆电子伏（钾-40）和0.05～3兆电子伏，称为四道（铀道、钍道、钾道和总道）便携式伽马能谱仪。后来，四道便携式伽马能谱仪逐渐被多道（256/512/1024/2048/4096道）便携式伽马能谱仪所替代，如1024道伽马能谱仪每道的能量间隔约为3.0千电子伏。21世纪以来，脉冲信号全数字化处理技术和GPS技术应用于野外伽马能谱仪，实现了野外测量过程中天然伽马能谱的全谱采集和实时定位。在环境辐射测量和核事故应急监测领域，便携式伽马能谱仪还用于对天然放射性核素和人工放射性核素的识别与定量测定。