同位素比质谱仪是由样品入口，离子源，质量分析器，检测器和记录仪这五个系统组成的。由于稳定质谱仪要在真空状态下运行，一个样品入口系统是必须的，这样才能把样品从室内常压转移到离子源。离子源是把样品分子转换成样品离子。样品离子是带有电荷的样品分子。简单的形成样品离子的方法就是从中行分子里移除一个电子，这样就形成了正离子。在过去的许多年，许多不同的离子源被开发出来，但是重要的一点是，样品分子必须变成样品离子才能被质谱所分析。
在质量分析器里，电场或者磁场，或者两者都有的分析器，被用来控制样品离子的运动，这样便可根据其质量不同而将其分离。虽然有很多不同的质量分析器，但是都执行相同的功能-根据质量分离不同的离子。同位素比质谱仪的检测器可以感知已经被分离的离子的到达，放大极其微笑的离子的电流以便进一步的电子处理。虽有很不不同类型的检测器，但作用都一样，就是检测离子并将其转换成较强的电信号。记录仪接受检测器的信号，将其放大并记录，这样就得到了质谱图。记录仪可以是简单的带状记录纸，也可以是很复杂的电脑系统。无论那种情形，数据都应该准确的被记录并在以后需要分析的时候可以调用。
同位素质谱技术创立初期，先在天然元素同位素的测定中得到了应用，在同位素质谱技术的帮助下，得到了每个元素的同位素组成及丰度，确定了元素的原子量。这一技术促进了同位素地质学、同位素地球化学的建立和发展，并在地址年代学、岩石矿物成因及其物质来源，地壳地幔演化，地质勘探等领域得到了广泛的应用。近年来同位素比质谱仪在环境科学的应用日益受到重视，尤其在大气、土壤、水质及生态环境研究均发挥重要作用。应用稳定性同位素丰度变化，研究和指示环境污染源和污染程度，在环保工作中的重要意义。