Chemická analýza pomocí EPMA se provádí detekcí a počítáním fluorescenčního rentgenového záření, které vzniká při přechodech elektronů (z vnějších na vnitřní orbitaly) v atomech vzorku, přičemž tyto přechody jsou stimulovány bombardováním elektrony (primárním svazkem). Protože energetické hladiny elektronových orbitalů atomů daného prvku jsou vlastní, mají fluorescenční rentgenové záření rovněž charakteristické energie. Rentgenové záření jako forma elektromagnetického záření vykazuje jak částicové, tak vlnové vlastnosti, což umožňuje dva různé způsoby detekce. Vlastnosti podobné částicím umožňují separaci na základě energií pomocí polovodičového detektoru v zařízení známém jako Energy-Dispersive X-ray Analyzer (EDXA). Mnoho moderních SEM a naše mikrosonda jsou vybaveny EDXA, který má výhodu rychlé analýzy vyplývající ze současného pořízení celého rentgenového spektra. Rychlost tohoto procesu z ní činí neocenitelný kvalitativní nástroj pro identifikaci fází a lze ji použít i kvantitativně. Většina prvků však dává vzniknout fluorescenčnímu rentgenovému záření o několika různých energiích a velmi často je energie rentgenové emise jednoho prvku natolik podobná energii jiného prvku, že tyto dva prvky nelze pomocí EDXA rozlišit (tzv. „překrytí“ nebo „interference“ rentgenového záření).
EPMA může také třídit fluorescenční rentgenové záření na základě jeho vlnových vlastností s využitím jednoho nebo více spektrometrů WDS (Wavelength-Dispersive Spectrometers): jedná se o výše zmíněný „přidaný hardware“. WDS rozlišují rentgenové záření prostřednictvím difrakce přes pravidelná periodická tělesa způsobem velmi podobným tomu, jak hranol dokáže oddělit barvy složek bílého světla. Volbou polohy a meziplanetární vzdálenosti difrakčního prvku lze tedy rozlišit jednu emisní linii rentgenového záření a poslat ji k počítání do detektoru „scintilačního typu“ naplněného plynem. WDS má ve srovnání s EDXA mnohem lepší rozlišení rentgenového záření, a představuje tak mnohem lepší nástroj pro analýzu materiálů s prvky s překrývajícími se rentgenovými čarami. Vynikající poměry intenzity píku a pozadí u WDS z nich rovněž činí nástroj volby pro složky na úrovni minoritních až stopových prvků a pro lehké prvky (které emitují nízkoenergetické rentgenové záření) a poskytují minimální úrovně detekce běžně o 1-2 řády nižší než u EDXA
.