與傳統測量儀器是將被測量和機械基準進行比較測量不同的是，坐標測量機的測量實際上是基于空間點坐標的采集和計算。雖然現代的測量機比早期的功能要高級很多，但基本原理是相同的，即建一個剛性的結構，此結構有三個互相垂直的軸，每個軸向安裝光柵尺，并分別定義為X、Y、Z軸。為了讓每個軸能夠移動，每個軸向裝有空氣軸承或機械軸承。在垂直軸上的探測系統記錄測量點任一時刻的位置。探測系統一般是由測頭和接觸式探針構成，探針與被測工件的表面輕微接觸，獲得測量點的坐標。在測量過程中，坐標測量機將工件的各種幾何元素的測量轉化為這些幾何元素上點的坐標位置，再由軟件根據相應幾何形狀的數學模型計算出這些幾何元素的尺寸、形狀、相對位置等參數。