氦氖雷射器的工作原理主要依賴於氦氣和氖氣的混合氣體在電場作用下的放電過程。當電流通過密閉玻璃管中的這種混合氣體時，電子被加速並撞擊氣體原子，導致氦原子從基態躍遷到亞穩態能級。這些處於亞穩態的氦原子與氖原子碰撞，將能量傳遞給氖原子，使其躍遷到不同的能態。在這個過程中，原子在回到基態時會釋放能量，一部分能量以光子的形式釋放，即產生雷射。
氦氖雷射器的雷射產生涉及一系列能級躍遷。氦原子的激發需要較低的能量，在電流作用下，電子與氦原子碰撞，使其激發到與氖原子基態相等的激發態。隨後，電子在能級結構中的躍遷發射出雷射。氖原子則需要更高的能量來激發，通常需要混合氣體中包含適量的氫氣等其他氣體來幫助氖原子的激發。
雷射器內部通常包含一個放電管、腔體、輸出鏡等主要部分。放電管內充滿了氦氖混合氣體，在高壓電場的作用下，氣體分子發生電子碰撞激發，產生雷射。腔體內有兩個平行的反射鏡，用於增強雷射束的強度並穩定輸出波長。輸出鏡則反射出雷射器的輸出光束。
氦氖雷射器能產生多種波長的雷射，主要包括632.8nm的紅光和1152nm、3391nm等波長的紅外光。其特點是具有較高的單色性和穩定的波長。