LIGO 使用的干涉仪是迈克耳孙干涉仪，其应用激光光束来测量两条相互垂直的干涉臂的长度差变化。在通常情况下，不同长度的干涉臂会对同样的引力波产生不同的响应，因此干涉仪很适于探测引力波。在每一种干涉仪里，通过激光光束来量度引力波所导致的变化，可以用数学公式来描述；换句话说，假设从激光器发射出的光束，在传播距离L之后，被反射镜反射回原点，其来回过程中若受到引力波影响，则行程所用时间将发生改变，这种时间变化可以用数学公式来坐定量描述。

更仔细地描述，假设一束引力波是振幅为h的平面波，其传播方向与激光器的光束传播方向的夹角为

，并假设光束的发射时间与返回时间分别为t、

，则返回时间对发射时间的变化率为。

伯纳德·舒尔茨把这一公式称作“三项公式”，其为分析所有干涉仪对信号响应的出发点。单径系统也可以使用三项公式 ，但其灵敏度是被时钟的稳定性所限制。干涉仪的两条干涉臂可以相互用来当做时钟比较，因此，干涉仪是非常灵敏的光束探射器。

假设干涉臂长超小于引力波的波长，则干涉臂与引力波相互作用的关系可近似为

假设引力波传播方向垂直于光束传播方向，即两者之间的夹角为{\displaystyle heta =\pi /2}，则三项公式变为

注意到这导数只跟返回时的引力波振幅

与出发时的引力波振幅

有关。假设这激光光束是初始发射的频率为

的电磁波，则这导数是电磁波的频率变化：

因此，只要能够量度返回电磁波的红移，则可估算引力波振幅的改变。假设干涉臂长超小于引力波的波长，则干涉臂与引力波相互作用的近似关系式为

假设干涉仪的两条干涉臂相互垂直，并且垂直于引力波传播方向，则类似地，可以计算出另一条干涉臂与引力波相互作用的近似关系式为

引力波对于干涉仪所产生的响应是这两个关系式的差值：

对于这公式做时间积分，可以得到光束传播于两条干涉臂的时间差：

换算成单条干涉臂的长度差，

LIGO的长度为4千米的干涉臂由振幅为10的引力波所引起的长度变化为：

光束只需10^-5秒就可以走完干涉臂的往返距离，这比一般典型的引力波周期要短很多。因此，让激光在这段距离内反复多走几次也不会影响观测，而且有显著的好处。如果让激光在这段距离内往返100次，则有效光程长度提高了100倍，而特定激光相位变化等效的长度变化也因此提升到10^-16米的量级。大多数干涉仪都使用低透射率平面镜制成的光学腔，即所谓法布里－珀罗干涉仪，来提升激光在干涉臂内的往返次数。