脉搏血氧仪可观察到血液的红色。
血液看上去是红色的液体，但是作为液体成分的血浆却呈淡黄色，这是因为在血浆中悬浮着无数红色细胞（红血球），肉眼看才会呈现出红色。红血球的这种红色其实是红血球中称为血红蛋白的色素颜色，血红蛋白与氧气结合后会变成鲜艳的红色。
脉搏血氧仪通过观察动脉血的红色程度，测出氧饱和度（与氧气结合的血红蛋白比例）。
右图被称为吸光度曲线，表示在与氧气结合的血红蛋白(HbO2)和释放氧气的血红蛋白(Hb)中，能大量吸收哪种光。颜色用横轴的波长表示。
在2表中，HbO2和Hb表示能大量吸收哪种波长，而不易吸收哪种波长。意味着越到线的下方，越不易吸收其波长（通过性良好）。
与氧气结合的血红蛋白呈红色，这是因为只是红色不太被吸收而通过的缘故。即，红色的吸光度低。另一方面，释放氧气后的血红蛋白变为深色。这是因为大量吸收光的缘故。红色（R）照射到血液后，如果血红蛋白和氧气更多结合，相应的大量光线穿过手指，于是传感器所接收的光量增多。不管血红蛋白与氧气结合与否，红外光（R）均会穿过血液，没有太大改变。
如果HbO2增加而Hb减少，传感器所接收的红色光（R）将会增多，而红外光（IR）则没有太大变化。与此相反，则红色光减少，红外光仍然没有太大变化。
就是说，如果知道传感器所接收的R/IR的比率，便可明确HbO2与Hb的比率，即氧饱和度。
脉搏血氧仪可观察到动脉血的变化。
照射在生物体上的光，在通过血液以外的组织层、动脉层和静脉层时，各层将接受吸收传到传感器。
从心脏输出的动脉血，如同脉搏的称呼，以波浪般形状在血管内移动。
在极短的时间内，厚度发生变化的仅限于脉动中的动脉血。皮肤和肌肉等组织和静脉，在极短的时间内厚度保持一定。厚度发生变化时，所穿透的光量也随之变化，传感器所接收的信号也相应变化。
就是说，信号的变化部分仅仅是厚度发生改变的组织的成分，即仅是动脉血的信息。
通过观察脉动（变化成分），可了解单纯动脉血的成分，从而由R和IR的变化成分比率，得出单纯动脉血的氧饱和度。
脉搏血氧仪也会显示脉搏速率，这是因为通过观察其变动同时也可以得出脉搏信息。
由R/IR的比率用校准常数求出SpO2的百分数值。
红色光（R）与红外光（IR）透过光量变动成分的比例和SpO2值之间的关系，因所使用的R、IR的LED波长不同有所差异，二者的关系式称为校准常数。
校准常数取决于在实验中脉搏血氧仪测量值与同时采血所得SaO2值之间的相关系数的求取。
在右图中为具有校准常数的脉搏血氧仪示例，当R与IR的比率相同时，SpO2为83％，R为IR的0.4时，SpO2为 100％。
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