一臺電子能譜儀的基本組成由所研究的試樣、一個初級激發源和電子能量分析器組成。它們安裝在超高真空(UHV)下工作。實際上，經常再備有一個UHV室安裝各種試樣制備裝置，和可能的輔助分析裝置。此外還有數據采集與處理系統。 [1]
(1)真空系統。電子能譜分析技術本身的表面靈敏度要求必須維持超高真空。現代電子能譜儀采用離子泵獲得超高真空條件。所有超高真空系統都需要時常烘烤，以去除真空室內壁上的吸附層。
(2)試樣臺。試樣被固定在試樣臺上。試樣臺要求平穩，工作時無顫動。對AES在常規分析時，試樣應導電和接地。
(3)初級激發源。XPS和AES的初級激發源不同。
XPS的X射線源。X射線是用高能電子轟擊陽極靶材激發出來的。由燈絲發出的熱電子被加速到一定能量去轟擊陽極靶材，引起其原子內殼層電離。當較外層電子以輻射躍遷的方式填充內殼層空位時，釋放出具有特征能量的X射線。 [1]
AES的電子槍。電子槍的關鍵部件是電子源及用于電子束聚焦、整形和掃描的透鏡組。電子源可以是熱電子發射體或冷場發射體；透鏡組可以是靜電型的，或用于高分辨率的電磁型的。21世紀初期，在AES能譜儀中，電磁透鏡和冷場發射電子源的結合，可提供小于10nm的電子束斑，所以空間分辨率很高。
(4)電子能譜分析器。在XPS和AES中通常使用的能量分析器有兩種：筒鏡形能量分析器(CMA)和半球形能量分析器(HSA)。當不追求最高分辨率，且只是收集小區域(直徑小于1mm)內的譜時，采用CMA；不需要分析化學態時，則在AES中用CMA。通常CMA能達到的能量分辨率大約為0.4%～0.6%。HSA的分辨率通常要高一個數量級。