固相微萃取的原理基於分析組分在樣品基質與提取劑之間的分配平衡過程。
固相微萃取的過程中，具有吸附塗層的萃取纖維暴露在樣品中進行萃取，待分析物被萃取到塗層上和塗層內部，直到塗層從樣品中被撤出。固相微萃取的裝置類似於一支氣相色譜的微量進樣器，由手柄和萃取頭或纖維頭兩部分構成，萃取頭是一根塗有不同吸附劑的熔融纖維，接在不鏽鋼絲上，外套細不鏽鋼管以保護石英纖維不被折斷，纖維頭可在鋼管內伸縮。
在進行萃取過程中，纖維頭浸入樣品溶液中或頂空氣體中一段時間，待平衡後將纖維頭取出插入氣相色譜汽化室，熱解吸塗層上吸附的物質。被萃取物在汽化室內解吸後，靠流動相將其導入色譜柱，完成提取、分離、濃縮的全過程。
固相微萃取不是簡單地將待測物全部萃取出來，而是建立在待測物在固定相和水相之間達成的平衡分配基礎上。