הפוליגרף מבוסס על זיהוי שינויים פיזיולוגיים בגוף האדם כתוצאה מגירויים פסיכולוגיים כאשר בני אדם חשים סכנה, מערכת העצבים האוטונומית, הנקראת גם מערכת העצבים הסימפתטית מעמידה את גופנו בשלב הנקרא להילחם, לברוח או לקפוא (fight, flight, freeze- fff).

מצב זה בגוף הוא התרחשות טבעית אשר האדם אינו יכול לשלוט בה באופן מודע, לא משנה כמה הוא ינסה להשפיע על מערכת זו.

בבדיקת הפוליגרף, כאשר האדם הנבדק חושש מגילוי השקר, גופו נכנס למצב של לחץ אשר מוביל לשינויים פיזיולוגיים שניתנים למדידה באמצעות ערוצי הפוליגרף.

במהלך בדיקת הפוליגרף הנבדק נשאל סדרת שאלות. נהוג לסווג את השאלות לשלוש קבוצות עיקריות: 

1. שאלות קרות (IR, sy, SR)- השאלות נועדו לספוג את המתח בו נמצא הנבדק בעת בדיקת הפוליגרף.
2. שאלו בקרה השוואתיות (C)- השאלות יהיו באותה הקטגוריה של האירוע כפי שמוצג בשאלה הרלוונטית המתאימה. שאלות הבקרה מותאמות לנבדק לאחר ובהתאם הרשמים מהריאיון המקדמי.
3. שאלות רלוונטיות (R)- שאלות הנוגעות באופן ישיר לנושא הבדיקה. שאלות קצרות המנוסחות באופן ברור וחד משמעי.

בדיקת הפוליגרף אורכת כשעה עד שעתיים מתחילתה ועד סופה והיא מורכבת לרוב מחמישה שלבים:

1. ראיון מקדמי
2. בדיקת כיול
3. בדיקת הפוליגרף
4. ניתוח התרשימים
5. ראיון לאחר הבדיקה

ראיון מקדמי

שלב זה הוא המהותי ביותר בבדיקה ולרוב הוא גם הארוך ביותר. בשלב זה, טרם גיבוש השאלות וטרם איסוף מידע כללי כלשהו חובתו ואחריותו של בודק הפוליגרף היא קביעת מסקנה ביחס להתאמת המועמד לבדיקה קרי כשירותו הבריאותית, הנפשית והשכלית. לאחר מכן, הבודק יסביר כיצד פועל מכשיר הפוליגרף, ידון לעומק ויברר את הנושא הנבחן עם הנבדק. לבסוף יבנה את מערך שאלות הבדיקה ויסקור אותן יחד עם הנבדק ויקבל את הסכמתו בכתב על השאלות ועל ביצוע הבדיקה. בסוף שלב זה יחבר הבודק את חיישני המכשיר לנבדק ויסביר על תפקידם:

1. ערוצי נשימה- המכונה גם פניאומרגרף- שני חיישנים דמויי גומי גמיש: האחד מעל בית החזה והאחר מתחת לבית החזה, סביב בטנו של הנבדק. החיישנים משדרים למכשיר הפוליגרף את השינויים המתרחשים במערכת הנשימה של הנבדק במהלך הבדיקה.
2. ערוץ לחץ דם- המכונה גם קרדיוגרף- בדיקת הפוליגרף נראית כמו כל בדיקת לחץ דם שגרתית. לזרועו של הנבדק מוצמדים שרוול ושקית אוויר המפעילה לחץ על הזרוע בניפוח. בשונה מבדיקת לחץ דם, הכרית אוויר מנופחת במהלך כל הבדיקה.
3. ערוץ מוליכות חשמלית של העור- המכונה גם גלונומטר (GSR) – הנבדק מחובר למכשיר בשתיים מאצבעותיו. החיבור נעשה באמצעות לוחות מתכת המחוברים לחיישנים, והאחרונים מעבירים למחשב הפוליגרף את הנתונים בדבר השינויים במוליכות החשמלית של העור.
4. חיישן תנועה- מערכת כריות המונח על כיסא הנבדק ומשדר לפוליגרף הממוחשב דיווחים בדבר תנועות ותנודות יתר של הנבדק. תפקידו הינו לזהות שימוש באמצעי נגד והפרעות במהלך הבדיקה.

בדיקת כיול

בדיקת הכיול היא למעשה בדיקת גירוי.

בדיקה זו נעשית באמצעות חיישני מכשיר הפוליגרף ואבחון תגובותיו הפיזיולוגיות של הנבדק בעת שהוא מונחה לשקר במכוון לשאלת הבודק. במהלך בדיקה זו, הבודק מזהה לראשונה את אופי תגובותיו הפיזיולוגיות של הנבדק ולתצורה הגרפית שלהן. גילוי תגובותיו הפיזיולוגיות של הנבדק, התאמתן, הבנתן והאפיון שלהם כל אלה מהווים "כיול" של הבודק ומכשיר הפוליגרף לתגובות הנבדק בעת אמירת אמת או שקר.

בדיקת הכיול הנפוצות ביותר הן בדיקת הקלפים ובדיקת המספרים.

בדיקת הפוליגרף

את בדיקת הפוליגרף בנושא הנבדק יש לבצע באמצעות שלושה מערכי בדיקה לפחות, הכוללים לפחות שאלה רלוונטית אחת בכל מערך. התשובות לשאלות הבדיקה הן כן או לא ולאחר כל תשוב יעברו כ20-25 שניות עד השאלה הבאה לטובת איסוף של התגובה הפיזיולוגית של הנבדק במלואה.

ראיון לאחר בדיקה

בשלב זה ניתנת אפשרות לנבדק להציג חששות, תחושות או הודאות בדבר שאלות הבדיקה. בהתאם, הבודק רשאי לדון במוטרדות שהוא זיהה במהלך הבדיקה וישנו ערך לבררה טרם ניתוח תרשימי הבדיקה.

ניתוח התרשימים

ניתוח התרשימים מתבצע ע"י הבודק באמצעות מספר כלים:

1. ניתוח ידני של התרשימים וניקוד השאלות הרלוונטיות.
2. ניתוח אלגוריתמי של התרשימים באמצעות תוכנת OSS-3 ו-
3. בקרת איכות של בודק חיצוני נוסף ובלתי תלוי, אשר אינו מעורה בפרטי הבדיקה, על ניקוד התרשימים. (ניתוח עיוור).