单分子荧光的典型特征是量子跳跃现象，即会形成一个发射-暗态交替的量子跃迁过程，这一重要特征导致了实验中观察到的单分子荧光光谱和荧光强度的波动现象。这种波动现象主要取决于单分子的局域环境极其猝灭途径。因而测量这种单分子的荧光量子跳跃过程、荧光寿命和荧光量子产率可以提供很多关于单个荧光分子所在的局域环境的特性和变化情况的信息。

单分子荧光的另一重要特征是其偏振特性。单个荧光分子具有其唯一的固有荧光和吸收跃迁偶极矩，分子只吸收那些偏振方向与其吸收跃迁偶极矩方向一致的光子，并发出具有一定偏振方向的荧光。在单分子检测的应用中，人们正是利用这种单个分子跃迁偶极矩的方向以及分子所处的环境的差异来研究和推测生物大分子的结构和功能的。

单分子荧光检测在化学分析、DNA测序、纳米材料分析、医学诊断、法医分析、单DNA操纵、活细胞分析=分子动力学机理等方面都具有独特的应用价值，对许多学科领域的发展产生了和正在产生着深远的影响。单分子水平上的生物分子研究，揭示了生物大分子的结构和功能，单分子荧光检测尤其在生命科学中具有广阔的应用前景，为生命科学提供了新的研究手段。

单分子荧光检测形式可分为基本的三种:光子爆发检测、单分子图像记录和单分子光谱测绘。光子爆发检测最为简单，直接测定爆发的光子数。单分子成像可指示分子在图像中的位置和发光强弱，实时跟踪记录单分子。