Une source pulsée d’ions primaires mono ou multi-atomiques (Ga+, Bin+, Au+, C60+, …) possédant une énergie de quelques keV bombarde la surface de l’échantillon. Les ions secondaires issus de l'interaction entre les ions primaires et l'échantillon, sont accélérés avec une même énergie cinétique vers l’analyseur à temps de vol qui les sépare en fonction de leur rapport m/z avec une très bonne résolution en masse (M/ΔM > 10 000 à la masse 28). Les spectres de masse ainsi obtenus représentent le nombre des ions secondaires en fonction de leur temps de parcours jusqu'au détecteur, qui est proportionnel à la racine carrée du rapport m/z.
D'autres techniques complémentaires peuvent également être utilisées pour étudier la structure de surface d'un échantillon (MET, MEB) et pour analyser leur composition chimique (EDX, XPS).