מכשיר הפוליגרף מבוסס על ההנחה שכאשר אנו משקרים אנו חווים מתח והתרגשות המתבטאים בשינויים פיזיולוגיים בגוף. מכשיר הפוליגרף הומצא בשנות ה- 20 בארה"ב כדי לבדוק את רמת אמינותו של אדם על-פי ארבעה פרמטרים: דופק, לחץ דם, הזעה ונשימה. מכיוון שקשה מאוד לשלוט בתגובות פיזיולוגיות, כל שינוי בהן מצביע על מתח והתרגשות של הנבדק המעידים כי הוא אינו דובר אמת.
בדיקת פוליגרף נערכת במכון פוליגרף על ידי בודק מוסמך ומורשה. במהלך הבדיקה הנבדק מחובר למכונת הפוליגרף באמצעות אינסטרומנטים סביב בית החזה ועל אצבעות כף היד. הוא יושב מול קיר לבן ונדרש לענות על שאלות כן/לא בלבד, שנשאלות אך ורק על-ידי הבודק של מכון הפוליגרף.
כדי לנטרל השפעות של לחץ והתרגשות טבעיים מעצם מעמד הבדיקה, בודק הפוליגרף מתחיל בבדיקה מקדימה כדי לראות האם הנבדק עצבני, מתוח, רגוע וכו'. כמו כן, כל בדיקת פוליגרף כוללת גם שאלות ביקורת פשוטות וטריוויאליות, כגון כתובתו, גילו או מצבו המשפחתי של הנבדק. אלו שאלות סרק שאינן רלוונטיות לבדיקת הפוליגרף עצמה, אך מטרתן היא לכוון את רמת הבדיקה למצב הפיזיולוגי שבו נמצא הנבדק. לעיתים הנבדק מתבקש לשקר במתכוון על שאלות הביקורת כדי לבחון את השינויים שחלים במצבו הפיזיולוגי הנוכחי.
בכל בדיקת פוליגרף מכון הפוליגרף בונה מערך של שאלות שהוזמנו על-ידי הלקוח (מעסיק, משטרה, פרקליטות, עורכי דין וכדומה). שאלות אלו צריכות להיות מנוסחות כך שהתשובות להן יהיו אכן החלטיות – כן או לא, ואי לכך גם התגובות הפיזיולוגיות יהיו דרמטיות ומורגשות.
מבקריו של הפוליגרף טוענים שהתגובות הפיזיולוגיות של נבדק במהלך בדיקת פוליגרף הן אולי מדידות, אך הן תלויות פרשנות, ולכן לא ניתן להסיק מהן מסקנות חד משמעיות. כך למשל, זה בעייתי לקבוע שבעיית הזעה של נבדק מעידה על כך שהוא משקר. או שניתן לנטרל במאת האחוזים את ההתרגשות והלחץ הטבעיים של נבדק במהלך בדיקת פוליגרף. זאת ועוד, ניסיון העבר הוכיח שאנשים שאומנו לכך (כמו סוכנים של סוכנויות ביון), מצליחים להערים על מכונת פוליגרף, כמו גם שקרנים פתולוגיים שמורגלים לשקר וכבר אינם חווים שינויים פיזיולוגיים בעודם משקרים.
גם הממסד מכיר בחולשתו של הפוליגרף כמכשיר הבודק האם אדם הוא דובר אמת או שקר, ולכן תוצאות בדיקת פוליגרף אינן קבילות כראייה בבית משפט ואי אפשר לחייב אדם לעבור בדיקת פוליגרף (לא על-ידי בית משפט וגם לא על-ידי מעסיקו למשל). יחד עם זאת, חשוב לציין שכאשר אדם מסכים מרצונו לעבור בדיקת פוליגרף, תוצאות הבדיקה קבילות לחלוטין. לדוגמא: שופט יכול לבקש משני צדדים למשפט שיש בו מחלוקת עובדתית לעבור בדיקת פוליגרף על ידי מכון פוליגרף רישמי. אם שני הצדדים מוכנים לבדיקת פוליגרף, תוצאות הבדיקה יהיו קבילות. גם המשטרה וגם הפרקליטות משתמשים בתוצאות בדיקות פוליגרף שנעשו בהסכמה לצורכי עבודתם. וישנם גם אנשים שמוכנים מיוזמתם לעבור בדיקת פוליגרף כדי להוכיח את חפותם.