时间相关单光子计数技术所基于的原理是：在记录低强度、高重复频率的脉冲信号时，由于光强很低，以至于在一个信号周期内探测到一个光子的概率远远小于1。因此，没有必要考虑在一个信号周期内探测到几个光子的情形。只要记录这些光子，测量它们在信号周期内的时间，并建立光子时间分布的直方图就足够了。
TCSPC技术的基本原理如下图所示
探测器的输出信号是对应于探测到单个光子的随机分布的脉冲序列。当探测到一个光子时，就可以在信号周期内测得与探测器脉冲对应的时间。每记录一次这样的事件（光子），就在对应的存储单元（Bin）中加1，该存储单元的地址与探测时间对应。在记录很多光子之后，就可以根据存储器中各个单元的光子数，得到探测时间的分布，即光脉冲的波形。
TCSPC可以高精度的测量出每个光子脉冲的时间，因此光子计数实验中的带宽仅仅受到探测器输出脉冲的TTS (Transit time spread)限制，而不受单电子脉冲（Single electron response, SER）宽度的限制。由于探测器单光子脉冲的TTS通常比其SER要窄一个数量级，因此对特定的他测器，TCSPC技术可以获得比任何一种模拟记录技术更高的时间分辨率。
TCSPC实验的有效分辨率可以通过仪器响应函数IRF来表征。
所以IRF会受激光器脉冲、探测器的时间响应、TCSPC的时间抖动等影响。
ALPHALAS的皮秒半导体激光器脉宽一般是40-70ps
SPAD的时间响应在40-350ps之间
Swabian Time Tagger时间相关单光子计数器的时间抖动在4-42 ps之间。
记录光子分布的时间通道的宽度最小可以达到1ps。利用小的时间通道宽度，并结合大量的时间通道，可以对信号波形进行充分的采样。因此利用解卷积技术，可以测量比IRF宽度更短的荧光寿命。
