旋光仪的基本原理是利用偏振光通过旋光性物质时振动面旋转的性质来测量旋光度。具体来说，当平面偏振光通过某些透明物质后，其振动面会旋转一个角度，这种现象称为旋光现象。具有旋光性的物质称为旋光物质，如石英、糖溶液、松节油及某些抗菌素溶液等。旋光物质可分为左旋和右旋两类，观察者正对着入射光看时，振动面发生逆时针方向旋转则为左旋物质，发生顺时针方向旋转则为右旋物质。
旋光仪主要由光源、起偏镜、旋光管（盛有旋光性物质的试管）、检偏镜和度盘等部分组成。光源发出的光线经过聚光镜和滤色镜后成为平面偏振光，再通过起偏镜形成偏振光。当偏振光通过盛有旋光性物质的旋光管时，由于物质的旋光性，偏振光的振动面会旋转一定角度。此时，需要通过检偏镜来观察和测量这个旋转的角度。检偏镜可以旋转，使得在零度视场时（即检偏镜未旋转时），从目镜处可以看到明亮的光线。当旋光管中放入被测溶液后，偏振光会旋转一个角度，通过调整检偏镜的角度，可以使得旋转后的偏振光再次通过检偏镜，并在目镜处形成明亮的光线。这个旋转的角度即为该物质的旋光度。
旋光度的测量不仅与物质的结构有关，还与测量条件如光的波长、温度和溶液的浓度有关。通过测量旋光度，可以分析确定物质的浓度、含量及纯度等。旋光仪广泛应用于制药、药检、制糖、食品、香料、味精以及化工、石油等工业生产中。