Standardowy QCL składa się z dwóch obszarów: aktywnego oraz relaksacji/wstrzykiwania (ang. relaxation/injector region). W obszarze aktywnym, złożonym z kilku studni kwantowych, wyróżnia się trzy poziomy energetyczne: wyższy (ang. upper laser state), niższy (ang. lower laser state) oraz podstawowy (ang. ground state). Elektron spada z wyższego poziomu na niższy, jednocześnie tunelując do kolejnej studni. Jest to przejście promieniste, czyli towarzyszy mu emisja fotonu o energii równej różnicy energii pomiędzy podpasmami. W kolejnym etapie nośnik spada do stanu podstawowego studni, tym razem niepromieniście – energia zostaje wypromieniowana w postaci fononu. Obszar relaksacji ma za zadanie przyjąć elektron ze stanu podstawowego obszaru aktywnego i zapewnić, że zostanie on wstrzyknięty na wyższy stan kolejnego obszaru aktywnego.
Ważnym elementem QCL jest przyłożone napięcie elektryczne – to właśnie ono sprawia, że laser można przedstawić jako kaskadę, a elektrony przemieszczają się w jedną stronę (w tę o niższym potencjale).