Scheiner 1619-ben már felfedezte, hogy a pont, amire a szem fókuszál, meghatározható a szem elé helyezett kétlyukú lemez segítségével. Másként szólva egy pontból érkező két sugármenet elegendő a fókuszpont megtalálásához, akárcsak az optikaórákról ismerős sugármenetek ábrázolásánál. Ezt az elvet használja ki a készülék.

A páciens egy távolinak tűnő tárgyra – általában a legtöbb műszer esetén léggömbre – néz, amelyet a készülék mutat neki. A készülék két kis infravörös (a szem által nem érzékelhető) fénysugarat vetít a szemébe, melyek az ideghártyára vetülnek, visszaverődésük látható is a készülék számára. Ha ez a két fénysugár pont egymáson van, a szemnek nincs törőerő hibája, szakkifejezéssel emmetrópiás. Ha azonban mínuszos vagy pluszos dioptriája van, akkor a készülék két fénypontot lát, mert nem takarják egymást. A fénypontok helyzetét nem igazi kamera érzékeli, csak egy kis fénydetektor, amely a fénypontok takarásakor nagyobb pontszerű fényerőt mér. A bejutó fénysugarak útjába beépített nagyítólencse előre-hátra mozgatásával a készülék e két fénysugár útját változtatni, szét- vagy összetartóvá tenni tudja. Addig mozgatja a készülék e lencsét, amíg a két fénysugár a retinán egymásra nem esik. Abból, hogy mennyire kell a semleges állapotból elmozgatnia a nagyítólencsét, a készülék kiszámolja a dioptriát. Ezután a két bevilágított fénypont közös tengelyét körbeforgatja, így a törőerőt minden irányban megméri. A készülék ezekből a körben mért dioptriaértékekből kalkulációt végez, és kikövetkezteti a szférikus és cylinderes dioptriák is.

A mérésnél többfajta hibával is számolni kell. Egyrészt az infravörös fénysugár a szem törőközegein nem pont úgy törik, másrészt a retinának mélyebben fekvő rétegéről verődik vissza, mint a látható fény, ez +0,75–1,5 dioptria különbséget okoz. Erre a készülék gyártója igyekszik felkészülni előzetes kalibrációval, továbbá a vetített kép ködösítésével próbálja kiküszöbölni, hogy a páciens szeme a műszerbe tekintve alkalmazkodjon, ezáltal befolyásolva a mérés objektivitását. Az infra tartományból fakadó hibából következő egyéni különbségek azonban továbbra is hatással lehetnek. Másrészt a szaruhártya felszíne bonyolult domborzat és a lencse törőereje sem teljesen egyenletes, nemcsak szférikus és asztigmiás eltérésekből állnak össze, úgynevezett magasabb rendű aberrációk, eltérések is láthatóak rajta. A készülék egyszerűsítő kalkulációkat végez, és közelíteni próbál a megmért törőerőkből, ezért szükségképpen pontatlan.

Így az autorefraktométer (vagy rövidebben autorefraktor) bár nagyon hasznos készülék, mert objektív törőerőmérést kínál a szemészeti szakemberek számára, de limitációival tisztában kell lenni, és inkább kiinduló, tájékoztató mérésnek használni.

A modern készülékek keratométerrel egybeépítve kerülnek forgalomba, így közös néven kerato-refraktométerként hívják őket.