二氧化碳探空仪采用红外差分吸收传感器，即激光器产生波长相近但二氧化碳吸收差异显著的两束光（可选强吸收波长4.3微米，参考波长为4.0微米），在光路另一端的探测器接收经过大气吸收后的激光，通过比较双波长光强的差异可计算得到二氧化碳浓度值。

为了对仪器进行标定，测量光路需要在大气和标准浓度二氧化碳之间切换。二氧化碳探空仪通常与常规无线电探空仪配合使用，测量数据通过无线电探空仪下传数据。一般由气球携带升空，可达海拔约35千米的高度；也可在有人或无人驾驶飞机上搭载二氧化碳分析仪开展垂直分布探测。