二氧化碳鐳射是一種分子鐳射。主要的物質是二氧化碳分子。它可以表現多種能量狀態這要視其震動和旋轉的形態而定。二氧化碳裡的混合氣體是由於電子釋放而造成的低壓氣體（通常30-50託）形成的等離子（電漿）。如麥克斯韋-波爾茲曼分佈定律所說，在等離子裡，分子呈現多種興奮狀態。一些會呈現高能態（00o1）其表現為不對稱擺動狀態。當與空心牆碰撞或者自然散發，這種分子也會偶然的丟失能量。透過自然散發這種高能狀態會下降到對稱擺動形態(10o0)以及放射出可能傳播到任何方向的光子（一種波長10.6μm的光束）。偶然的，這種光子的一種會沿著光軸的腔向下傳播也將在共鳴鏡裡擺動。大體上，二氧化碳鐳射的工作物質是由二氧化碳、氦、氮氣所組成的混合物。氮氣作為緩衝氣體以及它的分子共鳴地傳遞刺激能量給二氧化碳分子。因為張弛水平（01110）是瓶頸，氦的作用是作為熱壑來傳遞能量給水平（01110）給氦原子。

人體組織在CO2鐳射穿透的部位產生一定量的熱剝脫、比較多的熱凝固和明顯的熱效應。

熱效應產生膠原纖維收縮，熱凝固和熱剝脫形成直徑約0.12mm的微創小孔，深度約2-4mm，此時創傷後的小孔與小孔間正常組織產生熱橋接，啟動面板創傷修復機制（炎症階段、增值階段、重塑階段），新生大量膠原蛋白，使真皮框架結構重建，撫平疤痕。