Un spectrophotomètre Raman classique comprend une source laser, un système de maintien d'échantillon, un sélecteur de longueur d'onde et un détecteur.

La source laser monochromatique, qui utilise généralement un rayonnement visible ou proche infrarouge, génère un faisceau de lumière hautement focalisé. Cette lumière interagit avec les molécules de l'échantillon, diffusant une partie de la lumière. Les échantillons liquides et gazeux sont généralement testés dans des capillaires en verre ordinaires, tandis que les solides peuvent être analysés sous forme de poudres empaquetées dans des capillaires ou de pastilles de bromure de potassium. La lumière diffusée est collectée à l'aide d'une lentille distincte et focalisée sur l'entrée d'un monochromateur, qui disperse la lumière dans ses fréquences constitutives.

Pour garantir des résultats précis, la sortie est filtrée de manière approfondie pour éliminer le rayonnement laser parasite et la diffusion Rayleigh, qui peuvent interférer avec le signal Raman. Le signal optique est ensuite converti en signal électrique dans le détecteur, souvent un dispositif à couplage de charge (CCD) ou un tube photomultiplicateur, permettant son traitement et sa visualisation sous forme de spectre Raman.

Dans certains cas, des filtres passe-bande et coupe-bande de haute qualité sont utilisés dans les spectromètres Raman à fibre optique pour minimiser le rayonnement diffusé par Rayleigh. Une autre variante, l'instrument Raman à transformée de Fourier, remplace le monochromateur par un interféromètre de Michelson et utilise un laser à onde continue. Après avoir traversé les filtres, le rayonnement est focalisé sur un détecteur au germanium refroidi pour analyse.