中子照相的原理主要基於中子與物質內部原子核的相互作用。
高強度的中子源產生中子束，這些中子束在經過準直器後射入待檢查的物品。在穿透過程中，中子與物質內部的原子核發生反應，如吸收、散射或裂變等，這些反應導致中子強度減弱。這種強度的變化與物質內部核素的性質、種類、密度以及厚度等因素有關。通過探測器記錄和顯示這些中子通量的變化，就可以得到物質內部結構的圖像，包括核素分布、密度變化和物質內部的不均勻性或缺陷。
此外，中子照相還能區分不同元素，例如對輕元素（如H、B、Li）和重元素（如Fe、Pb、Cu、Ni）的質量衰減係數不同，使得中子照相在檢測時能夠提供更高的對比度和解析度。