一個基本的激光雷達系統包括一個由旋轉鏡反射的激光測距儀（頂部），激光在被數字化的一維或二維場景周圍被掃描（中間），以指定的角度間隔收集距離測量值（底部）。
激光雷達系統由以下幾個主要組件組成。
一 激光
600-1000nm激光最常見於非科學應用。激光的最大功率是有限的，或者使用自動關閉系統在特定的高度關閉激光，以確保工作人員的安全。
1550 nm激光是一種常見的替代方法，在相對較高的功率水平下對人眼安全，因為該波長不會被眼睛強烈吸收，但是檢測器技術的發展不太先進，因此這些波長通常以較低的精度在較長的範圍內使用。它們也用於軍事應用，因為在夜視鏡中看不到1550 nm ，這與較短的1000 nm紅外激光不同。
機載地形測繪激光雷達通常使用1064nm二極管泵浦的YAG激光器，而測深（水下深度研究）系統通常使用532 nm倍頻二極管泵浦的YAG激光器，因為532 nm穿透水的衰減比1064 nm 小得多。激光設置包括激光重複頻率（控制數據收集速度）。脈衝長度通常是激光腔長度、通過增益材料（YAG、YLF等）所需的通過次數以及Q開關（脈衝）速度的一個屬性。如果激光雷達接收器檢測器和電子設備具有足夠的帶寬，則可以使用較短的脈衝獲得更好的目標分辨率。
二 Flash激光雷達
Flash（閃光）激光雷達相機的焦平面具有像素行和列，這些像素具有足夠的“深度”和“強度”以創建3D景觀模型。每個像素記錄每個激光脈衝擊中目標並返回到傳感器所需的時間，以及被激光脈衝接觸的物體的深度、位置和反射強度。閃光燈使用單一光源，該單一光源以單一脈衝照明視場，就像照相機拍的是距離，而不是顏色。
機載光源使Flash激光雷達成為一個主動傳感器。通過嵌入式算法處理返回的信號，以生成傳感器視場內物體和地形特徵的近乎即時的3D渲染。激光脈衝重複頻率足以生成具有高分辨率和準確性的3D視頻。傳感器的高幀速率使其成為各種應用程序的有用工具，這些應用程序受益於實時可視化，例如高精度的遠程著陸操作。通過立即返回目標景觀的3D高程網格，Flash傳感器可用於識別自主航天器著陸場景中中的最佳著陸區域。
三 相控陣
相控陣可以通過使用單個天線的微觀陣列照亮任何方向。通過控制每個天線的定時（相位），可以將一個內聚信號導向一個特定的方向。
自1950年代以來，相控陣已用於雷達，同樣的技術也可以用於光。大約一百萬個光學天線用於在特定方向上觀察特定尺寸的輻射圖，該系統由精確閃光定時控制，單個芯片（或幾個）取代了價值75000美元的機電系統，從而大大降低了成本。
有幾家公司正在開發商用固態激光雷達裝置，其中包括正在設計905 nm固態器件的Quanergy公司，儘管它們似乎在開發中遇到一些問題。
控制系統可以改變鏡頭的形狀以啟用放大/縮小功能，特定的分區可以以亞秒間隔為目標。
機電激光雷達能持續1000至2000小時，相比之下，固態激光雷達可以運行100000小時。
四 微機電設備
微機電系統（MEMS）並非全固態。然而，它們微小的外形提供了許多相同的成本優勢。單個激光被指向單個反射鏡上，鏡子快速旋轉，該反射鏡可以重新定向以查看目標場的任何部分。然而，MEMS系統通常在單個平面（從左到右）中工作。要添加第二個維度，通常需要上下移動第二個鏡像或者，另一個激光可以從另一個角度擊中同一反射鏡。MEMS系統可能受到衝擊/振動的干擾，可能需要重複校準。我們的目標是創造一個小型微芯片，以加強創新和進一步的技術進步。
五 掃描儀和光學元件
圖像顯影速度受其掃描速度的影響，掃描方位角和仰角的選項包括雙振盪平面鏡、多角鏡和雙軸掃描儀的組合。光學選擇會影響角度分辨率和可以檢測到的範圍，可以選擇使用孔鏡或分束器來收集返回信號。
六 定位和導航系統
安裝在飛機或衛星等移動平臺上的激光雷達傳感器需要儀器來確定傳感器的絕對位置和方向，這樣的設備通常包括全球定位系統接收器和慣性測量單元（IMU）。
七 傳感器
激光雷達使用有源傳感器提供自己的光源，能源撞擊物體，反射的能量由傳感器檢測和測量。通過記錄發射脈衝和反向散射脈衝之間的時間並使用光速計算行進距離，可以確定到物體的距離。因為相機能夠發射更大的閃光燈並利用返回的能量來感測感興趣區域的空間關係和尺寸，因此Flash激光雷達可以進行3D成像。由於不需要將捕獲的幀縫合在一起，並且系統對平臺運動不敏感，失真較小，因此可以實現更精確的成像。
使用掃描和非掃描系統均可實現3D成像。“ 3D門控觀測激光雷達”是一種非掃描激光測距系統，可應用脈衝激光和快速門控攝像頭。目前，使用數字光處理（DLP）技術進行虛擬光束轉向的研究已經開始。
激光雷達成像也可以使用高速探測器陣列和調製敏感探測器陣列，通常使用互補金屬氧化物半導體（CMOS）和混合CMOS /電荷耦合器件（CCD）製造技術在單芯片上構建。在這些設備中，每個像素執行某些本地處理，例如高速解調或門控，將信號向下轉換為視頻速率，以便陣列可以像照相機一樣讀取。使用這項技術，可以同時獲得數千個像素/通道。高分辨率3-D激光雷達相機通過電子CCD或CMOS 快門使用零差檢測。
相干成像激光雷達使用合成陣列外差檢測來使凝視的單元素接收器像成像陣列一樣工作。
2014年，林肯實驗室宣佈推出一款新的成像芯片，其像素超過16384像素，每一個像素都能成像一個光子，使它們能夠在一幅圖像中捕捉到廣闊的區域。2010年1月海地地震後，美國軍方就採用了像素技術數量的四分之一的較早技術，一架商務飛機在太子港上空3000米（10,000英尺）一次通行證就能夠以30釐米（12英寸）的分辨率捕獲城市600米平方的瞬時快照。林肯系統的速度要快10倍，該芯片使用銦鎵砷化物（InGaAs），它在紅外光譜中以相對較長的波長工作，允許更高的功率和更長的範圍。在許多應用中，如自動駕駛汽車，新系統將降低成本，不需要機械部件來瞄準芯片。InGaAs使用的危險波長比在可見波長下工作的傳統硅探測器要小。
