氣相色譜法（GC）的原理主要基於物質在特定條件下的物理化學性質差異，這些條件包括物質的沸點、極性和吸附性質。具體來說，氣相色譜法利用不同物質在相對運動的兩相（流動相和固定相）中具有不同的分配係數，當這些物質隨流動相移動時，它們在兩相之間進行反覆多次分配，使原來分配係數只有微小差異的各組分得到很好的分離。
在氣相色譜法中，樣品首先在汽化室汽化，然後由載氣（如氮氣、氦氣等）帶入色譜柱。色譜柱內含有液體或固體固定相，由於樣品中各組分的沸點、極性或吸附性能不同，每種組分都傾向於在流動相和固定相之間形成分配或吸附平衡。由於載氣的流動，樣品組分在運動中進行反覆多次的分配或吸附/解附。結果是在載氣中分配濃度大的組分先流出色譜柱，而在固定相中分配濃度大的組分後流出。
當組分流出色譜柱後，立即進入檢測器，檢測器能夠將樣品組分的存在轉變為電信號，電信號的大小與被測組分的量或濃度成比例。將這些信號放大並記錄下來就得到色譜圖，從而實現對樣品的分析和分離。