Der intensifizierte (verstärkte) CCD-Chip besteht aus zwei Teilen – einem gekühlten CCD-Chip mit rauscharmer Elektronik (niedrige Wiederholungsfrequenz von 50–500 kHz), vor dem sich ein Phosphoreszenzschirm befindet, sowie aus einem Bildverstärker, bei dem es sich um einen speziellen Verstärker der Intensität des einfallenden Lichts, der nach dem Prinzip eines herkömmlichen Dynod-Photomultipliers funktioniert, jedoch in miniaturisierten Abmessungen.

Man kann sich den Chip als eine Fotokathode vorstellen, auf die Lichtstrahlung trifft und von der Elektronen herausgeschleudert werden, die anschließend durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden und in den Mikrokanal- (MCP = Micro Channel Photomultiplier), an den eine feste Spannung angelegt wird, die die Verstärkung des ICCD bewirkt, und wo es zur Vervielfachung der Elektronen (Multiplikation) und zu ihrer erneuten Beschleunigung durch ein weiteres elektrisches Feld auf den Phosphoreszenzschirm kommt. Der auf den Phosphoreszenzschirm auftreffende Elektronenschwarm erzeugt einen optischen Blitz, der von einem rauscharmen CCD-Chip erfasst wird, der über Glasfaseroptik mit dem Schirm verbunden ist – im Chip wird das Licht in eine elektrische Ladung umgewandelt, die anschließend von einem Analog-Digital-Wandler in Bilddaten umgewandelt wird.

Eine intensifizierte CCD-Kamera ermöglicht die Bildaufnahme bei sehr geringer Beleuchtungsstärke über ein breites Lichtspektrum hinweg und mit relativ hohen Bildraten. Dank des Bildverstärkers lässt sich die Empfindlichkeit auf das Niveau einzelner Photonen erhöhen, die dadurch detektiert werden können. Neben der hohen Empfindlichkeit gehört zu den Vorteilen von ICCD-Chips auch die Möglichkeit der schnellen Umschaltung der Spannung an der Fotokathode (sog. Gating), das die Funktion eines elektronischen Verschlusses erfüllt. Durch die Verwendung eines geeigneten kurzen Spannungsimpulses lässt sich der Verstärker in Intervallen von unter einer Nanosekunde effektiv ein- und ausschalten. Die Quanteneffizienz (QE) eines ICCD hängt vom Typ der verwendeten Fotokathode ab – der QE-Wert verringert sich durch den Verstärkungsprozess, die Übertragung über Glasfasern und die Effizienz des CCD-Chips.

In Verbindung mit einem Spektrographen kann der ICCD auch das Spektrum der erfassten Strahlung messen. Er wird daher bei spektroskopischen Messungen eingesetzt, die eine hohe zeitliche Auflösung (Nanosekunden) erfordern, z. B. in der Halbleiterforschung, der Laserentwicklung, der optischen Kommunikation usw.