GC气相色谱直径为数毫米，其中填充有固体吸附剂或液体溶剂，所填充的吸附剂或溶剂称为固定相。与固定相相对应的还有一个流动相。流动相是一种与样品和固定相都不发生反应的气体，一般为氮或氢气。 待分析的样品在GC气相色谱柱顶端注入流动相，流动相带着样品进入气相色谱柱，故流动相又称为载气。载气在分析过程中是连续地以一定流速流过GC气相色谱柱的；而样品则只是一次一次地注入，每注入一次得到一次分析结果。
样品在气相色谱柱中得以分离是基于热力学性质的差别。固定相与样品中的各组分具有不同的亲合力（对气固气相色谱仪是吸附力不同，对气液分配GC气相色谱仪是溶解度不同）。当载气带着样品持续地通过气相色谱柱时，亲合力大的组分在气相色谱柱中挪动速度慢，由于亲合力粗心味着固定相拉住它的力气大。亲协力小的则移动快。4根柱管实际上是一根,只是用来表现样品中各组分在不同霎时的状态。样品是由A、B、C3个组分组成的混合物。在载气刚将它们带入GC气相色谱柱时，三者是完整混合的，如状态(Ⅰ)。经过一定时间，即载气带着它们在柱中走过一段间隔后，三者开端分离，在线动画，如状态(Ⅱ)。再持续前进，三者便分离开，如状态(Ⅲ)和(Ⅳ)。
固定相对它们的亲合力是A>B>C，故移动速度是C>B>A。走在zui前面的组分 C首先进入紧接在GC气相色谱柱后的检测器，如状态(Ⅳ)，而后B和A也依次进入检测器。检测器对每个进入的组分都给出一个相应的信号。将从样品注入载气为计时出发点，到各组分经分离后依次进入检测器，检测器给出对应于各组分的zui大信号(常称峰值)所阅历的时间称为各组分的保留时间tr。实际证实,在条件(包括载气流速、固定相的资料和性质、GC气相色谱柱的长度和温度等)一定时,不同组分的保留时间tr也是一定的。因此，反过来可以从保留时间推断出该组分是何种物质。故保存时间就可以作为GC气相色谱仪器实现定性分析的依据，检测器对每个组分所给出的信号，在记录仪上表示为一个个的峰，称为气相色谱峰。
GC气相色谱峰上的极大值是定性分析的依据，而气相色谱峰所包罗的面积则取决于对应组分的含量，故峰面积是定量分析的依据。一个混合物样品注入后，由记录仪记录得到的曲线，称为气相色谱图。分析GC气相色谱图就可以得到定性分析和定量分析结果。载气由载气钢瓶提供，经过载气流量调节阀稳流和转子流量计检测流量后到样品气化室。样品气化室有加圈，以使液体样品气化。如果待分析样品是气体，气化室便不必加热。气化室本身就是进样室，样品可以经它注射加入载气。载气从进样口带着注入的样品进入GC气相色谱柱，经分离后依次进入检测器而后放空。检测器给出的信号经放大后由记录仪记录下样品的气相色谱图。
