Il principio di funzionamento di un rilevatore APD si basa su due meccanismi fondamentali: l'effetto fotoelettrico e l'effetto moltiplicatore a valanga; l'intero processo può essere suddiviso in due fasi principali.

Il cuore di un rivelatore APD è una giunzione PN realizzata in materiali semiconduttori. Quando il segnale ottico target irradia la regione fotosensibile della giunzione PN, l'energia dei fotoni viene assorbita dagli elettroni nel semiconduttore. Se l'energia dei fotoni è maggiore della larghezza del gap di banda del semiconduttore, gli elettroni passeranno dalla banda di valenza a quella di conduzione, lasciando contemporaneamente delle lacune nella banda di valenza e formando coppie di "portatori fotogenerati" (coppie elettrone-lacuna). Questo passaggio completa la conversione preliminare dei segnali ottici in segnali elettrici, coerente con il principio di funzionamento dei fotodiodi ordinari.

Questa è la chiave che distingue i rivelatori APD dai dispositivi ordinari. Una tensione di polarizzazione inversa molto superiore alla tensione di rottura viene applicata attraverso la giunzione PN del dispositivo, creando un campo elettrico estremamente intenso al suo interno. I portatori fotogenerati generati nella prima fase saranno accelerati sotto l'azione del forte campo elettrico per acquisire un'energia cinetica estremamente elevata. I portatori in movimento ad alta velocità collideranno con gli atomi nel reticolo del semiconduttore, espellendo elettroni dagli atomi del reticolo e formando nuove coppie elettrone-lacuna. Questi portatori appena generati sono a loro volta accelerati dal forte campo elettrico e continuano a collidere con altri atomi, generando altri portatori: questo processo è simile a una valanga, che fa aumentare bruscamente il numero di portatori, amplificando così la debole corrente fotogenerata iniziale di migliaia o addirittura decine di migliaia di volte.

Dopo la moltiplicazione a valanga, il segnale elettrico può essere rilevato e letto con precisione attraverso la successiva elaborazione del circuito. È questo meccanismo unico di "conversione fotoelettrica + amplificazione a valanga" che consente Rilevatori APD per dimostrare vantaggi incomparabili rispetto ai normali dispositivi di rilevamento fotoelettrico in scenari di rilevamento di segnali ottici deboli.