Il principio di funzionamento del laser si basa sull'emissione stimolata. Si tratta di un fenomeno puramente quantistico. In maniera semplificata la situazione è questa: gli atomi possono "esistere" in due (o più) stati, ognuno caratterizzato dalla sua energia. Possiamo dire che lo stato di più bassa energia è quello in cui tutti gli elettroni dell'atomo si trovano nelle loro orbite fondamentali, mente gli stati a più alta energia (detti eccitati) sono quegli stati in cui gli elettroni si trovano su orbite più ampie, e quindi sono più lontani dal nucleo.

In realtà questa descrizione non ha senso, poichè gli elettroni non possono essere descritti come particelle in grado di percorrere un orbita, ma approfondire questo aspetto ci porterebbe lontano. Basti sapere che questa descrizione è utile per avere un'idea di quello che accade, ma le cose non vanno esattamente così.
In condizioni normali gli atomi sono nello stato fondamentale e non succede niente. Se la temperatura non è troppo bassa può esserci un piccolo numero di atomi nello stato eccitato. Quando si accende il laser si attivano alcuni fenomeni che creano l'inversione di popolazione ovverosia fanno sì che la maggior parte degli atomi si venga a trovare nello stato eccitato, mentre nello stato fondamentale ne restano pochissimi.
Alcuni atomi spontaneamente tendono a decadere nello stato fondamentale, emettendo luce. Tale luce incide sugli altri atomi e li induce (per emissione stimolata) a decadere nello stato fondamentale, emettendo ancora altra luce (e così via con una reazione positiva). Gli atomi che decadono nello stato fondamentale vengono portati nuovamente nello stato eccitato, con modalità diverse a seconda del tipo di laser, che è ininfluente agli scopi di questa discussione. L'operazione con cui si realizza l'inversione di popolazione, ovverosia l'aumento notevole del numero di atomi eccitati, è comunemente detta pompaggio.