全站仪的本质是一台电子经纬仪+一台红外测距仪。
电子经纬仪是测角的仪器，即用水平光栅度盘和竖向光栅度盘来测量水平角和竖直角。
测距仪是利用红外线调制载波相位信号经棱镜或反射片等反射回仪器。被仪器接收后，利用相位差来计算反射时间，利用精确的反射时间乘以红外线在空气介质中的传播速度来测量仪器中心到棱镜的直线距离（斜距）的。
全站仪里面的数据链（通讯协议）会将水平度盘读数，垂直度盘读数，斜距三个参数提供给数据处理模块，数据处理模块加以计算后就能实现操作界面上的各种方法，像后视，坐标测量，坐标放样，后方交会，悬高测量。。。
以坐标放样为例，全站仪里面的工作逻辑是这样的：
设定测站点的坐标NEZ和仪高H，得到仪器中心的三维坐标N,E,Z+H
对后视，方法有两种：输入方位角，或输入坐标值。细心的人就会发现，输入不论是输入方位角还是输入坐标，都不需要输入后视点的高程。输入坐标后仪器一般会显示计算出的测站到后视点的方位角，直接输入方位角就是输入自己计算的测站点到后视点的方位角。然后照准后视点，点击确定。关键的一步来了：这时仪器后台的操作是将后视点的这个方向的水平度盘值设置成方位角！有仪器的朋友可以在对完后视后，保持仪器的水平度盘不动，然后退出坐标测量介面，看看仪器的实时水平度盘读数是不是和后视方位角一致。
至此，全站仪的设站工作就已经完成了。下面就可以直接进行未知点坐标测量了。
拔动望远镜，照准目标，按下测量键，然后仪器内部的逻辑是这样的：
将当前度盘的水平角（即坐标方位角，直接就是水平度盘读数），竖直角（即与水平方向或与垂直方向的夹角，仪器可以设置为天顶角为0还是水平角为0）和测得的斜距（经过棱镜中心距和大气折射改正的）传输给数据处理模块。
数据处理模块的处理逻辑：根据竖直角和斜距计算出水平距离和高差，根据测站点仪器中心的坐标N,E，水平距离和坐标方位角用坐标正算法计算出置镜点的平面坐标，根据测站点的仪器中心高程和该点到置镜点的高差（由竖直角和斜距计算而得），还有置镜点的棱镜中心到测点高度（棱镜杆和镜头架一般已经考虑了，可以在棱镜杆上直接读数）就可以计算出置镜点的高程。
然后将算得的置镜点的三维坐标NEZ显示的屏幕上，由用户按需要保存到仪器内存就完成了一个测量过程。
全站仪的其他测量或放样的程序都是类似的数据处理逻辑。