最初，椭偏仪的工作波长多为单一波长或少数独立的波长，最典型的是采用激光或对电弧等强光谱光进行滤光产生的单色光源。现在大多数的椭偏仪在很宽的波长范围内以多波长工作（通常有几百个波长，接近连续）。和单波长的椭偏仪相比，光谱型椭偏仪有下面的优点：可以提升多层探测能力，可以测试物质对不同波长光波的折射率等。
数学上可以用两种不用的方式来描述电磁波与样品间的作用，一为琼斯矩阵（en:Jones matrix），一为穆勒矩阵（en:Mueller matrix）。在琼斯矩阵表示法，电磁波在作用前与作用后以具有两个复数值的琼斯向量（en:Jones vector）来描述，而其间的转换则是以一具复数值的2乘2矩阵（即琼斯矩阵）表现。在穆勒矩阵表示法，作用前、后的电磁波则以具四实数项的史托克向量（en:Stokes vector）表示，作用之转换描述矩阵则是4乘4共16实数项的穆勒矩阵。当没有去偏极化（en:depolarization）发生时，两种型式完全相符，因此对于非去偏极化样品，通常使用琼斯矩阵的型式就足够了。但若样品会去偏极化，则为了取得这去偏极化的量，必需要使用穆勒矩阵型式。去偏极化的原因，举例来说，可以是因为不够一致的厚度，或是来自透明基材背面的反射所造成。
早期的椭偏研究主要集中于偏振光及偏振光与材料相互作用的物理学研究以及仪器的光学研究。计算机的发展和应用使椭偏数据的拟合分析变得容易，促使椭偏仪在更多的领域得到应用。硬件的自动化和软件的成熟大大提高了运算的速度，成熟的软件提供了解决问题的新方法，因此，椭偏仪现在已被广泛应用于材料、物理、化学、生物等领域的研究、开发和制造过程中。