透地雷达使用高频率且通常被极化的无线电波，并且将电波发射入地表之下。当电磁波撞击到埋在地表下的物体或到达介电常数变化的边界时，天线接收到的反射波会记录下反射回波的讯号差异。所涉及的原理类似于反射地震学，但使用的是电磁学能，而非声学能，并且电磁波会在不同介电常数的边界处反射，而声波是在声波阻抗差异边界。

透地雷达可探测的深度范围受到地表下物质的电导率、发射波中心频率和发射波功率限制。电导率上升时电磁波探测深度就会下降，这是因为电磁学能会更快速经由热能消耗，使讯号强度随深度增加而衰减。高频率电磁波可穿透深度较低频率浅，但光学分辨率较高。最佳的穿透深度是在冰上可穿透数百米。而在干燥的砂质土壤或花岗岩、石灰岩、混凝土等大块物质的良好穿透深度可以达到15米。但是在潮湿或含有黏土的土壤中因为高电导率，有时候穿透深度只有数厘米。

透地雷达的天线一般会接触地表以接收到最强的反射波，空载的透地雷达天线则用于地表上方。

跨孔透地雷达已经被开发并应用在水文地球物理学领域，可用来评估土壤内水份是否存在与土壤含水量。