Głównym elementem umożliwiającym działanie noktowizora jest wzmacniacz obrazu. Wzmacnia on natężenie światła od bardzo niskich wartości do takich, które umożliwiają obserwację. Do działania wystarczy oświetlenie pola obserwacji rozproszonym światłem pochodzącym od gwiazd lub księżyca (tzw. światło szczątkowe). Po przejściu przez taki wzmacniacz, światło wzmocnione jest kilka tysięcy razy.
W nowoczesnych noktowizorach elektronika sterująca pozwala łatwo dobrać odpowiedni stopień wzmocnienia (a zatem również kontrast), a przy tym może posiadać funkcję automatycznego odłączenia zasilania w razie nagłego wzrostu oświetlenia. Pozwala to na częściową ochronę noktowizora przed zniszczeniem w przypadku oświetlenia silnym źródłem światła.
W całkowitych ciemnościach działanie noktowizora jest niemożliwe – konieczne jest zastosowanie dodatkowych źródeł światła. Z taktycznego punktu widzenia powinno to być światło niewidoczne dla obserwowanych osób lub zwierząt. Używa się w tym celu promienników podczerwieni. Starsze noktowizory mogły pracować tylko przy stosowaniu takiego doświetlenia.