偏光显微镜专为观察主要因其光学各向异性而显现的标本而设计。一台偏光显微镜必须同时配备起偏器和检偏器（第二个偏光器）：起偏器置于标本前的光路中某处，而检偏器则位于物镜后孔径与观察筒或相机接口之间的光路中。图像对比度源于平面偏振光与双折射（或双重折射）标本的相互作用，这会产生两个偏振方向相互垂直的独立光波分量。这两个分量在通过标本时，其传播速度随传播方向的不同而变化。离开标本后，它们之间产生相位差；当通过检偏器时，它们经历相长和相消干涉，从而使光线得以重新组合。
双折射：偏光显微镜的关键
双折射物体具有通过折射将单束光分裂成两束不同光线的特性。双折射材料包括具有高度有序分子结构的物质，如方解石或氮化硼晶体。生物标本（例如纤维素或淀粉）也具有双折射性。双折射与线偏振光的结合，通过在两束分离光线之间产生干涉，从而实现显微观察，产生诸如干涉环和结构发光等彩色效果。
偏光显微镜的对准与光路
一台常规光学显微镜至少需要额外两个组件才能进行偏光显微观察。线偏振照明对于检测双折射至关重要。因此，必须在显微镜的光路中插入两个偏振滤光片。起偏器产生偏振光以照亮标本，而第二个偏振滤光片（检偏器）则将检测到的光线限制在折射分量上。
这两个偏振滤光片必须相互成90°角，以达到所谓的消光位置（完全黑暗）。当滤光片设置在此位置时，没有光线到达相机或目镜，图像呈现黑暗。实现消光是偏光显微镜中的一个关键步骤，因为它确保只有偏振面被标本改变的光线才变得可见。
起偏器与检偏器
光线通过第一个偏振滤光片后，转化为线偏振光。若该线偏振光穿过与正确偏振轴对齐的双折射材料，则会发生折射并分裂为两束光，其中一部分光的偏振面旋转90°。若第二个偏振器（检偏器）正确对齐（即与第一个偏振滤光片成90°角），则折射光将通过检偏器。因此，在偏光显微镜下，只有双折射材料才能产生图像。
被检测双折射材料的偏振轴必须与第一个偏振器产生的光的偏振轴相匹配，这一点至关重要。为此，许多偏光显微镜配备了旋转载物台，以便于将样品的偏振面与第一个偏振滤光片的偏振面对齐。偏光显微镜的专业应用可能使用各种附件。
伯特兰透镜能够实现对焦于物镜后孔径的晶体图案的锥光观察。此外，延迟板或补偿器可用于双折射样品的定量分析。
