Przejście to jest znane z radioastronomii jako linia wodoru 21 cm i jest stosowana do wykrywania międzygwiezdnego wodoru atomowego.
W maserze wodorowym fale radiowe rozbijają cząsteczki wodoru na atomy, które uformowane w wiązkę przechodzą przez separatorator magnetyczny rozdzielający atomy ze względu na ich moment magnetyczny. Do kwarcowej komory pokrytej od wewnątrz teflonem w której zachodzi akcja laserowa trafiają wzbudzone atomy wodoru, konstrukcja ścian komory ma zapobiec przejścia wodoru do stanu podstawowego w wyniku zderzenia z jej ścianami. Komora jest otoczona wnęką mikrofalową, dostrojoną rezonansowo do częstotliwości przejścia między dwoma nadsubtelnymi stanami wodoru. Promieniowanie mikrofalowe rezonujące we wnęce rezonansowej jest wzmacniane i wywołuje emisje wtórne mikrofal o tej samej częstotliwości.
Wnęka masera może emitować mikrofale tylko w wyniku emisji wymuszonej zachodzącej w niej, wówczas maser nazywa aktywnym. Wnęka może też być zasilana falami mikrofalowymi z zewnętrznego generatora synchronizowanego z promieniowaniem komory, wówczas maser określany jest jako pasywny. Maser pasywny ma mniejsze wymagania co do ilości i stanu wzbudzenia wodoru, przez co jest znacznie łatwiejszy w konstrukcji.