Bei Nachtsichtgeräten finden sich drei generell unterschiedliche Funktionsweisen. Bei manchen Modellen werden sogenannte Restlichverstärker verwendet, welche, wie der Name schon sagt, das vorhandene, schwache Licht mithilfe von Kathoden (Photokathoden) und phosphorbeschichteten Anoden (Leuchtschirm) verstärken und somit ein Sehen bei Dunkelheit ermöglichen. Die zweite technische Variante arbeitet mit für das bloße Auge unsichtbarerer, in der Umgebung vorhandener Infrarotstrahlung, die mithilfe von Bildwandlerröhren oder Bildsensoren in sichtbares Licht umgewandelt wird. Manche Modelle bringen zur Verstärkung der Infrarotstrahlung einen Infrarotscheinwerfer mit, um ein noch besseres Sehen in der Dunkelheit zu gewährleisten.

In der Regel lösen Nachtsichtgeräte durch das Eintreten des vorhandenen Lichts (Restlicht oder Infrarotlicht) auf der Eintrittseite Elektronen aus, welche auf der Gegenseite auf einen grünen Leuchtschirm treffen und dort Bilder erzeugen. Die Sicht auf den Leuchtschirm bei einem Blick durch ein Nachtsichtgerät ist mit dem Blick durch ein Fernglas vergleichbar.

Eine weitere Methode für das Sehen bei Dunkelheit ist die sogenannte Wärmebilderzeugung. Nachtsichtgeräte, welche auf diesem Prinzip beruhen, fangen die Wärmestrahlung von Objekten, Tieren oder Menschen auf und ermöglichen durch pyroelektrische Arrays oder Bolometer-Arrays ein helles Bild. Nachtsichtgeräte dieser Funktionsweise (Wärmebildgeräte) sind in der Regel sehr teuer und werden zumeist vom Militär oder der Polizei eingesetzt. Die Polizei verwendet diese Art von Nachtsichtgeräten beispielsweise für das Auffinden vermisster Personen. Beim Militär finden Wärmebildgeräte unter anderem auch oft Anwendung in Panzer oder anderen militärischen Fahrzeugen.

Nachtsichtgeräte finden sich für den Privatgebrauch sowohl in monokularer, als auch in binokularer Bauform. In den meisten Fällen handelt es sich hierbei um Handgeräte, welche in Bezug auf die Form den Ferngläsern ähneln.