İlk nabız oksimetresi 1940'lı yıllarda Millikan tarafından geliştirildi. Atardamarlarda oksijen-taşıyan hemoglobin ile oksijeni tüketen-hemoglobin oranını izler. Tipik bir nabız oksimetresinde iki ışık-yayan diyot (LED) bulunur. Bu LED'ler hastanın test edilen bölgesine (-genellikle parmak ucuna veya kulak memesine) yönlendirilir. Bir diyot 660 nanometre dalga boyunda bir ışık demeti yayar, diğeri ise 905, 910 veya 940 nanometre dalga boyunda bir ışık yayar. Oksijen-taşıyan hemoglobin, bu iki dalga boyunu oksijen tüketen hemoglobinden çok farklı şekilde emer. Bu özelliği kullanarak iki tip hemoglobinin oranı hesaplanabilir. Test genellikle hastadan kan alınmasını gerektirmez.
Tipik bir nabız oksimetresi aynı zamanda hastanın nabzını da görüntüleyebilir. Beer-Lambert yasasına göre, R/IR oranının arteriyel oksijen doygunluğu (SaO2) ile doğrusal bir ilişkisi olmalıdır. Ancak biyolojik dokular güçlü saçılma, zayıf soğurma ve anizotropiye sahip karmaşık optik sistemler olduğundan, klasik Beer-Lambert yasasına tam olarak uymazlar. Bu durum, kırmızı ve kızılötesi ışığın absorbansındaki göreceli değişiklik (R/IR değeri) ile arteriyel oksijen doygunluğu (SaO2) arasındaki ilişkiyi ifade eden bir matematiksel model oluşturmayı zorlaştırır. R/IR ve SaO2 arasındaki uyum yalnızca deneysel olarak, yani kalibrasyon eğrileri aracılığıyla belirlenebilir. Çoğu nabız oksimetresi üreticisi, ürün sevkiyatından önce ön kalibrasyonu tamamlamak için deneysel yöntemler yoluyla ampirik kalibrasyon eğrileri elde eder.
