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。
