Bei analogen Oszilloskopen wird die zu messende Spannung über einen einstellbaren Verstärker auf den Bildschirm einer Elektronenstrahlröhre projiziert. Für die X-Ablenkung muss eine Sägezahnspannung erzeugt werden, welche gleichmäßig ansteigt und danach rasch abfällt. Die Frequenz dieser Sägezahnspannung ist zumeist in einem weiten Bereich einstellbar, um die Ablenkung der Frequenz des zu messenden Signals anpassen zu können. Der Elektronenstrahl bewegt sich dadurch von links nach rechts (während dieser Zeit wird das Bild gezeichnet) und kehrt anschließend sofort zu dem Ausgangspunkt zurück, was durch die Schnelligkeit des Vorgangs auf dem Bildschirm nicht zu sehen ist. Zusätzlich wird zu dem Teil der Elektronenstrahl dunkelgetastet oder beim Rücklauf in den nichtsichtbaren Bereich abgelenkt. Die Ablenkung des Elektronenstrahls erfolgt bei Oszilloskopen kapazitiv durch elektrische Felder.

Heute werden vermehrt digitale Oszilloskope benutzt, da so die Daten auch nach der Messung zur Verfügung stehen und leicht auf einen PC übertragen werden können. Dabei gibt es ebenfalls verschiedene Ausstattungsstufen sowie Mischformen zwischen Analogoszillographen und Digitaloszilloskopen. Obiges Merkmalen gelten grundsätzlich genauso für die Digitaloszilloskope. Eine zusätzliche Möglichkeit bekommt man mit Hilfe von Speicheroszillographen: die Pre-Triggerung. Dabei kann man auf ein bestimmtes Ereignis warten, zu dem Beispiel eine Spannungsspitze, und sich dank der Speicherung den Signalverlauf vor dem Ereignis betrachten.

Zu Digitaloszilloskopen siehe auch: Abtastung, Shannonsches Abtasttheorem

Mit einem Oszilloskop kann man nicht ca. die Größe einer Gleich- oder Wechselspannung bestimmen, sondern auch die Form betrachten.

Folgende weitere elektrische Größen können mit einem Oszilloskop gemessen werden:

• elektrischer Strom, indirekt über einen Spannungsabfall an einem Widerstand (siehe Ohmsches_Gesetz)
• Frequenz eines Signals
• Phasenverschiebungen eines Signals mit Hilfe von Lissajous-Figuren (sofern am Oszillographen ein Eingang für die X-Ablenkung vorhanden ist), ebenfalls mit dieser Methodik die Frequenz eines Signals mit Hilfe eines externen Frequenzgenerators
• Durchgangskennlinien von elektronischen Bauelementen (entweder mit Hilfe einer bereits in dem Oszillographen vorhandenen Schaltung oder sofern ein Eingang für die X-Ablenkung vorhanden ist, mit ebenjenem sowie einer Zusatzschaltung)
• Frequenzgänge elektronischer Schaltungen (mit einem Wobbelgenerator)

Allgemein kann jeder Ablauf der sich als zeitlicher Verlauf einer elektrischen Spannung abbilden läßt mit dem Oszilloskop dargestellt werden.

Um bei periodischen Signalen (dies kann ein einfaches Sinus-Signal sein, aber auch ein äußerst komplexes Signal) ein stehendes, klares Bild zu erhalten, ist es nötig, wenn der Elektronenstrahl wieder am linken Rand mit der Bilddarstellung beginnen will, diesen solange aufzuhalten, bis das zu messende Signal zeitlich gesehen einen definierten Punkt erreicht. Man stellt einen bestimmten Spannungswert ein und kann zumeist frei festlegen, ob sich dieser auf einer ansteigenden oder fallenden Flanke befinden soll, und so wird ein periodisches Signal immer exakt übereinander gezeichnet. Je nach Ausstattung des Oszilloskops gibt es noch weitere Triggerungsmethoden.

Die Begriffe Oszilloskop und Oszillograph werden synonym benutzt, nennen aber verschiedene Dinge.

• Oszilloskop-Simulation (http://www.virtuelles-oszilloskop.de)
• Ein virtuelles Oszilloskop (http://pen.physik.uni-kl.de/medien/oscillo/html/osc_virt.html)