自由電子激光的物理原理是利用通過周期性擺動磁場的高速電子束和光輻射場之間的相互作用，使電子的動能傳遞給光輻射而使其輻射強度增大。利用這一基本思想而設計的激光器稱為自由電子激光器(簡稱FEL)。如圖1所示，一組扭擺磁鐵可以沿z軸方向產生周期性變化的磁場．磁場的方向沿Y軸。由加速器提供的高速電子束經偏轉磁鐵D導入擺動磁場。由于磁場的作用．電子的軌跡將發生偏轉而沿著正弦曲線運動，其運動周期與擺動磁場的相同。這些電子在XOZ面內搖擺前進．沿x方向有一加速度．因而將在前進的方向上自發地發射電磁波。輻射的方向在以電子運動方向為中心的一個角度范圍內。
它的工作原理可簡述如下。由加速器產生的高能電子經偏轉磁鐵注入到極性交替變換的扭擺磁鐵中。電子因做扭擺運動而產生電磁輻射（光脈沖），光脈沖經下游及上游兩反射鏡反射而與以后的電子束團反復發生作用。結果是電子沿運動方向群聚成尺寸小于光波波長的微小的束團。這些微束團將它們的動能轉換為光場的能量，使光場振幅增大。這個過程重復多次，直到光強達到飽和。作用后的電子則經下游的偏轉磁鐵偏轉到系統之外。以上是FEL產生過程的比較形象的描述。從物理學角度看，這個過程就是電子對輻射的受激康普頓散射的結果。這里一個最為關鍵的環節是電子要聚集成許多短于光波波長的束團。因為，只有這樣它的輻射才是相干的，而FEL的技術難度，恰恰也正在于此。電子束性能必須十分優越（能量分散小，方向分散小，時間穩定度高……），同時流強盡可能大，才能達到要求，顯然，FEL工作波長愈短，技術難度也就愈大。
通過穩定的電子束來泵浦，配置電子貯存環讓電子束再加速并再循環使用，用靜電方法或逆向運轉的射頻線性加速器使電子減速以充分利用出射電子束的剩余能量，使用上述任何一種方法都可以進一步增大總體效率。自由電子激光器輸出的激光波長\lambda _s與電子的能量E有關：\lambda _s \sim 1/E^2，故改變電子束的加速電壓就可以改變激光波長，這叫做電壓調諧，其調諧范圍很寬，原則上可以在任意波長上運轉。在現有的電子槍和加速器的實驗條件下，可以獲得從毫米波到1000?的光頻波段范圍內的連續調諧的相干輻射。自由電子激光器的輸出功率與電子束的能量、電流密度以及磁感應強度B_0有關，它可望成為一種高平均功率、高效率（理論極限達40%）、高分辨率的具有穩定功率和頻率輸出的激光器件，采用它能夠避免某些工藝上的麻煩（如激光工作物質稀缺、有毒或腐蝕金屬、玻璃），另外，它基本上不存在使用壽命問題。