EPMA hoạt động bằng cách bắn phá một thể tích siêu nhỏ của mẫu bằng chùm điện tử hội tụ (năng lượng điển hình = 5-30 keV) và thu thập các photon tia X do các loại nguyên tố khác nhau phát ra. Do bước sóng của các tia X này là đặc trưng của mẫu phát ra, thành phần mẫu có thể dễ dàng được xác định bằng cách ghi phổ WDS (Quang phổ tán sắc bước sóng). Máy quang phổ WDS hoạt động dựa trên định luật Bragg và sử dụng các đơn tinh thể có hình dạng, có thể di chuyển khác nhau như một cách tử đơn sắc.

• EPMA là một phương pháp phân tích nguyên tố không phá hủy định tính và định lượng đầy đủ các khối lượng có kích thước micron trên bề mặt vật liệu, với độ nhạy ở mức ppm. Định lượng chính xác với độ tái lập 1% thu được trong vài ngày. Đây là kỹ thuật phân tích vi mô chính xác và chính xác nhất hiện có đối với tất cả các nguyên tố từ B đến U. 
• EPMA hoàn toàn tương thích với các phân tích thông lượng lớn, thường xuyên với kết quả dễ dàng được thu nhận trực tiếp.
• Các thiết bị EPMA được trang bị một kính hiển vi tích hợp hoàn chỉnh cho phép chụp ảnh X-quang (WDS và EDS), SEM và BSE đồng thời, cùng với hệ thống quang học ánh sáng khả kiến ​​phức tạp; chúng cung cấp khả năng kiểm tra mẫu rất linh hoạt với độ phóng đại hình ảnh nằm trong khoảng từ 40 đến 400.000.
• Có thể xác định độ dày và thành phần nguyên tố của các lớp dày từ nm đến mm trong vật liệu phân tầng.

Các ứng dụng chính được tìm thấy trong địa hóa học, khoáng vật học, địa thời gian, luyện kim, vật lý, hạt nhân, khoa học vật liệu bao gồm thủy tinh, gốm sứ, chất siêu dẫn, xi măng, vi điện tử, hóa sinh... EPMA cung cấp kết quả tốt hơn nhiều so với hệ thống SEM/EDS tiêu chuẩn

Nhờ các đặc tính của WDS, độ nhạy tốt , khả năng phân tích các nguyên tố nhẹ và rủi ro do sai lệch phổ định tính đều vượt trội trên EPMA. Độ phân giải quang phổ và thời gian chết của máy dò tốt hơn nhiều so với EDS (Quang phổ tán sắc năng lượng). Hệ thống điều chỉnh chùm tia kích thích và các khả năng của bệ mẫu phức tạp đảm bảo rằng kỹ thuật này mang lại độ ổn định vượt trội và khả năng lặp tuyệt vời cho các phép đo.

Nhờ khả năng phân tích chính xác, với độ phân giải cao (dưới micron) nên EPMA được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực. EPMA có khả năng phân tích điểm, phân tích đường, lập bản đồ tia X, cả định tính và định lượng, cũng như việc xác định thành phần và độ dày của màng mỏng và đa lớp. 

Các ứng dụng của EPMA trong trái đất và khoa học môi trường bao gồm các mô tả và phân loại đá; xác định các khoáng sản; xác định nhiệt độ và áp lực của sự hình thành đá (geothermobarometry); phân bố hóa học trong tinh thể khoáng cấp độ micron, sự thay đổi của tinh thể và nghiên cứu phân tán (ví dụ như xác định tỉ lệ thời gian của quá trình magma và núi lửa), nghiên cứu các chỉ số khoáng sản, trong thăm dò khoáng sản, phân tích khoáng sản có tầm quan trọng kinh tế và chiến lược (ví dụ như quặng, chuỗi carbon), nghiên cứu về vật liệu hóa thạch, đá vôi và san hô; xác định tuổi thông qua phân rã phóng xạ U-Pb.

Trong khoa học vật liệu và vật lý luyện kim, EPMA được sử dụng rộng rãi để xác định thành phần hóa học và vi cấu trúc của hợp kim, thép, kim loại, thủy tinh, gốm sứ, composite và vật liệu tiên tiến, xác định sơ đồ giai đoạn, phân tích của tạp chất và kết tủa; phân tích sự phân bố các nguyên tố, sự phân tán, sự biến đổi, bề mặt nitrided và carburized, ăn mòn và hiện tượng oxy hóa, phân tích màng mỏng và chất phủ.
EPMA cũng có thể được sử dụng như một buồng tán xạ để định lượng vật lý liên quan đến việc sản xuất máy X-quang ứng dụng trong y tế và công nghiệp

Các ứng dụng quan trọng được tìm thấy trong địa hóa học, khoáng vật, địa thời học, luyện kim , hạt nhân, khoa học vật liệu bao gồm cả thủy tinh, gốm sứ, chất siêu dẫn, xi măng, vi cơ điện tử và hóa sinh

• Khoa học vật liệu: Phân tích chính xác thành phần phần trăm khối lượng, ô xít, cation….
• Kim loại và hợp kim: Phân tích thành phần các nguyên tố nhẹ với độ phân giải dưới micron
• Các ứng dụng khác như: hóa học, vật lý, sinh học, vật liệu xây dựng, khảo cổ học, khoa học đất đai, nhân chủng học….
• Địa chất: Trong hầu hết các trường hợp, EPMA được chọn để phân tích pha khoáng vật (ví dụ,các nham thạch và biến đổi địa chất), hoặc trong trường hợp vật liệu kích thước nhỏ (ví dụ, xi măng, trầm tích, thủy tinh volcanic, thiên thạch). Sự thay đổi trong thành phần nguyên tố trung tâm của khoáng vật và thông tin của nó có thể cho thông tin về lịch sử hình thành của tinh thể, bao gồm nhiệt độ, áp suất và hóa học của môi trường xung quanh. Trong một số trường hợp, có thể để xác định độ tuổi U-Th của một khoáng sản như monazit mà không cần đo tỷ lệ đồng vị. Lập bản đồ phân tích chính xác các nguyên tố vết có hàm lượng cực thấp. Phân tích đất hiếm
• Nghiên cứu ứng dụng: Phục vụ cho nhiều ngành mang lại giá trị kinh tế như: khai thác mỏ, thăm dò tìm kiếm tài nguyên thiên nhiên như các kim loại quý hiếm, nguồn đất hiếm, dầu khí, tổng hợp vật liệu mới, vật liệu xây dựng và vật liệu bán dẫn. 
• EPMA cũng có thể được sử dụng cho các nghiên cứu chuyên ngành mô hình khuếch tán, địa chất cấu trúc sử dụng EBSD, phân tích thù hình, phân tích kích thước hạt, phân tích các vật liệu tổng hợp như wafer, màng mỏng, vi mạch, bán dẫn, siêu dẫn và gốm sứ.