Quando il sensore laser funziona, il diodo a emissione laser viene prima puntato sul bersaglio per emettere impulsi laser. La luce laser viene dispersa in tutte le direzioni dopo essere stata riflessa dal bersaglio. Parte della luce diffusa ritorna al ricevitore del sensore e viene ripresa sul fotodiodo della valanga dopo essere stata ricevuta dal sistema ottico. Il fotodiodo a valanga è un sensore ottico con una funzione di amplificazione interna, in modo che possa rilevare segnali luminosi estremamente deboli e convertirli in segnali elettrici corrispondenti. Il più comune è il sensore di portata laser, che può determinare la distanza target registrando ed elaborando il tempo trascorso da quando viene inviato un impulso luminoso a quando viene ricevuto. Il sensore laser deve misurare il tempo di transito in modo estremamente accurato perché la velocità della luce è troppo veloce.
Requisiti eccessivi per la tecnologia elettronica sono troppo costosi da realizzare. Ma i sensori laser di oggi evitano abilmente questo ostacolo, utilizzando un semplice principio statistico, cioè la legge di media per ottenere una risoluzione di 1 mm e possono garantire la velocità di risposta.