与其他分子激光器一样，CO2激光器的工作原理，即受激发射过程也较复杂。分子有三种不同的运动：1分子内电子的运动，其运动决定了分子的电子能态；2分子内的原则振动，即分子内原子围绕其平衡位置不停地做周期性振动——它决定了分子的振动能态；3分子转动，即分子为以整体在空间连续地旋转，分子的这种运动决定了分子的转动能
