החיישן הפוטואלקטרי מורכב בדרך כלל משני חלקים: נתיב עיבוד ואלמנט עיבוד. העיקרון הבסיסי מבוסס על האפקט הפוטואלקטרי, הממיר את השינויים הנמדדים לשינויי אותות אופטיים, ולאחר מכן ממיר אותות לא חשמליים לאותות חשמליים בעזרת אלמנטים פוטו-אלקטריים. האפקט הפוטואלקטרי מתייחס להארת אובייקט באור, שניתן לראותו כסדרה של פוטונים עם אנרגיה מסוימת שמפציצים את האובייקט. בזמן זה, האנרגיה של הפוטון מועברת אל האלקטרון, וכל האנרגיה של פוטון היא בבת אחת. כאשר האלקטרון נספג, מצב האלקטרון ישתנה לאחר שהוא מקבל את האנרגיה המועברת על ידי הפוטון, כך שהעצם המוקרן באור יפיק את האפקט החשמלי המקביל. האפקט הפוטואלקטרי מחולק בדרך כלל ל-3 קטגוריות:
(1) התופעה שבה אלקטרונים יכולים לברוח מפני השטח של עצם בפעולת האור נקראת אפקט פוטו-אלקטרי חיצוני, כגון צינור פוטואלקטרי, צינור פוטו-מכפיל וכו';
(2) התופעה לפיה ניתן לשנות את ההתנגדות של עצם בפעולת האור נקראת האפקט הפוטואלקטרי הפנימי, כגון נגדי פוטו, פוטוטרנזיסטורים וכו';
(3) תחת פעולת האור, התופעה לפיה עצם יוצר כוח אלקטרו-מוטיבי כיווני מסוים נקראת אפקט פוטו-וולטאי. חיישנים פוטו-אלקטריים כגון תאי פוטו מממשים שליטה על ידי המרת שינויים בעוצמת האור לשינויים באותות חשמליים.
באופן כללי, החיישן הפוטואלקטרי מורכב משלושה חלקים, המחולקים ל: משדר, מקלט ומעגל זיהוי.
המשדר מכוון למטרה כדי לפלוט קרן אור, וקרן האור הנפלטת מגיעה בדרך כלל ממקור אור מוליכים למחצה, דיודה פולטת אור (LED), דיודה לייזר ודיודה פולטת אינפרא אדום. האלומה נפלטת ללא הפרעה, או רוחב הפולסים משתנה. המקלט מורכב מפוטודיודה, פוטוטרנזיסטור ופוטו-תא. בחזית המקלט מותקנים רכיבים אופטיים כמו עדשה וצמצם. מאחוריו נמצא מעגל הזיהוי, שיכול לסנן את האות היעיל ולהחיל את האות.