工作物质是有机染料，其能级由单重态(S)和三重态(T)组成。S和T又分裂成许多振动－转动能态，在溶液中这些能态还要明显加宽，因此能发出很宽的荧光。
一般染料激光器的结构简单、价廉，输出功率和转换效率都比较高。环形染料激光器的结构比较复杂，但性能优越，可以输出稳定的单纵模激光。
染料激光的调谐范围为0.3～1.2微米，是应用最多的一种可调谐激光器。