Die chemische Analyse mit der EPMA erfolgt durch den Nachweis und die Zählung fluoreszierender Röntgenstrahlen, die durch Elektronenübergänge (von äußeren zu inneren Orbitalen) in den Atomen der Probe erzeugt werden, wobei die Übergänge durch Elektronenbeschuss (durch den Primärstrahl) angeregt werden. Da die Energieniveaus von Elektronenorbitalen für die Atome eines bestimmten Elements intrinsisch sind, haben auch die fluoreszierenden Röntgenstrahlen charakteristische Energien. Als elektromagnetische Strahlung weist Röntgenstrahlung sowohl teilchen- als auch wellenförmige Eigenschaften auf, was zwei verschiedene Nachweismethoden ermöglicht. Die teilchenähnlichen Eigenschaften ermöglichen eine Trennung auf der Grundlage von Energien, wobei ein Festkörperdetektor in einem Gerät verwendet wird, das als energiedispersiver Röntgenanalysator (EDXA) bekannt ist. Viele moderne SEMs und unsere Mikrosonde sind mit einem EDXA ausgestattet, der den Vorteil einer schnellen Analyse durch die gleichzeitige Erfassung des gesamten Röntgenspektrums bietet. Die Schnelligkeit dieses Verfahrens macht es zu einem unschätzbaren qualitativen Werkzeug für die Phasenidentifizierung, und es kann auch quantitativ eingesetzt werden. Die meisten Elemente erzeugen jedoch fluoreszierende Röntgenstrahlen verschiedener Energien, und sehr oft ist die Energie der Röntgenemission eines Elements der eines anderen so ähnlich, dass die beiden nicht unterschieden werden können (so genannte Röntgenüberlappung oder -interferenz).
Die EPMA kann fluoreszierende Röntgenstrahlen auch auf der Grundlage ihrer wellenförmigen Eigenschaften sortieren, indem sie ein oder mehrere wellenlängendispersive Spektrometer (WDS) verwendet: Diese sind die oben erwähnte „zusätzliche Hardware“. Die WDS lösen die Röntgenstrahlen durch Beugung an regelmäßigen periodischen Festkörpern auf, ähnlich wie ein Prisma die einzelnen Farben von weißem Licht trennen kann. Durch die Wahl der Position und der Abstände zwischen den Ebenen des Beugungselements kann eine einzelne Röntgenemissionslinie aufgelöst und zur Zählung an einen gasgefüllten Szintillationsdetektor weitergeleitet werden. WDS haben eine weitaus bessere Röntgenauflösung als EDXA und sind daher ein viel besseres Werkzeug für die Analyse von Materialien, die Elemente mit sich überlappenden Röntgenlinien enthalten. Aufgrund des besseren Verhältnisses zwischen Spitzen- und Hintergrundintensität sind WDS auch das Mittel der Wahl für Komponenten mit geringem bis mittlerem Anteil an Röntgenstrahlung und für leichte Elemente (die Röntgenstrahlung mit niedriger Energie emittieren), wobei die Mindestnachweisgrenzen in der Regel 1 bis 2 Größenordnungen niedriger sind als bei EDXA.