Schemat blokowy oscyloskopu uniwersalnego przedstawiono na rysunku. Podstawową rolę w tym przyrządzie pełni lampa oscylograficzna. Jej własności określają parametry oscyloskopu. Inne podukłady służą do obsługi tej lampy.
Lampa oscyloskopowa składa się z próżniowej bańki szklanej, w jednej części rozszerzonej i tworzącej ekran pokryty substancją fosforyzującą, z wyrzutni elektronowej oraz z dwóch płaskich kondensatorów, których okładki są umieszczone w płaszczyznach wzajemnie prostopadłych umożliwiając poziome i pionowe odchylanie wiązki elektronów. W przypadku gdy kondensatory są nienaładowane, wiązka elektronów emitowana przez wyrzutnię pada prostopadle na ekran tworząc plamkę świetlną. Po naładowaniu jednego z kondensatorów elektrony są przyciągane przez dodatnią, a odpychane przez ujemną okładkę kondensatora, co powoduje odpowiednie odchylenie wiązki i równoczesne przesunięcie świecącego punktu na ekranie. Jeżeli jednak do okładek kondensatora zostanie doprowadzone napięcie przemienne, wiązka elektronów odchylana na przemian do góry i na dół zakreśli na ekranie linię pionową. Aby otrzymać wykres zmian napięcia w funkcji czasu, należy równocześnie nadać wiązce ruch w płaszczyźnie poziomej. Do tego celu służy drugi kondensator, do którego okładek doprowadza się napięcie wzrastające liniowo do pewnej wielkości, a następnie spadające gwałtownie do zera. Takie impulsy napięcia zwane piłokształtnymi są wytwarzane przez generator podstawy czasu. Utworzona wówczas krzywa jest obrazem wypadkowego odchylenia wiązki elektronów, przedstawiającym zmienność napięcia doprowadzanego do okładek kondensatora w funkcji czasu. Istnieją lampy oscyloskopowe ze sterowaniem elektromagnetycznym, które zamiast kondensatorów mają dwie cewki do poziomego i pionowego odchylania wiązki elektronów.
W zwykłym modzie pracy oscyloskopu, gdy badane są czasowe zależności mierzonego sygnału, do wzmacniacza odchylania X dostarczany jest sygnał piłokształtny z generatora podstawy czasu. Podczas jednego cyklu podstawy czasu plamka przebiega po ekranie od lewej do prawej strony, po czym następuje jej powrót. Na czas powrotu jest ona wygaszana przez dostarczenie odpowiedniego impulsu do wzmacniacza modulacji jaskrawości Z, po to by na ekranie oscyloskopu nie został wytworzony niepotrzebny obraz. Szybkość narastania sygnału podstawy czasu, a przez to rozdzielczość czasowa oscyloskopu, może być dobierana przez użytkownika w szerokim zakresie. Zwykle jako współczynnik czasu podaje się odwrotność prędkości plamki na ekranie [s/cm].
Możliwe jest też odłączenie generatora podstawy czasu i skierowanie do wejścia wzmacniacza X dowolnego innego sygnału elektrycznego.
Badany sygnał, podawany przez wejście Y, ulega podziałowi w tłumiku określającym skokowo wartość współczynnika odchylania pionowego i steruje wzmacniaczem odchylania Y. Czułość napięciowa wejścia Y określana jest w woltach na jednostkę wysokości ekranu [V/cm]. Dla oscyloskopów uniwersalnych osiąga ona wartość 1mV/cm.
Podstawowym parametrem określającym jakość oscyloskopu jest pasmo częstotliwości przenoszonych sygnałów. Na granicy tego pasma czułość oscyloskopu maleje o - 3dB(1/(2)^(1/2)). Szerokość pasma ograniczona jest głównie parametrami lamp. We współczesnych oscyloskopach uniwersalnych dochodzi ona do 500Mhz.
Przyczyną ograniczenia szybkości działania lamp oscylograficznych jest czas przelotu elektronów między płytkami odchylającymi. Jeżeli czas trwania impulsu sterującego jest od niego krótszy, kąt odchylania wiązki elektronowej zmniejsza się, co powoduje zmniejszenie rozmiarów obrazu na ekranie. Wpływ tego zjawiska ograniczono w lampie z falą bieżącą. Zastosowano w niej szereg par płytek odchylających, których pojemności wraz z łączącymi je indukcyjnościami tworzą linię przesyłową dopasowaną falowo do linii dostarczającej sygnał. Zakończenie linii jest bezodbiciowe. Prędkość rozchodzenia się sygnału w linii jest równa prędkości elektronów, dzięki czemu ulegają one odchylaniu wzdłuż całej drogi między płytkami. Szerokość pasma częstotliwości lamp z falą bieżącą dochodzi do 5GHz.
Sposób synchronizacji podstawy czasu oscyloskopu - wewnętrzny i zewnętrzny - wybierany jest za pomocą odpowiedniego przełącznika:
synchronizacja wewnętrzna - uruchomienie generatora podstawy czasu następuje wtedy, gdy poziom napięcia na wejściu Y przekroczy wartość napięcia wyzwalania ustaloną przez użytkownika. Ten sposób synchronizacji wymaga, by impulsy wejściowe miały odpowiednio dużą amplitudę i nie były zbytnio zaszumione. Nie jest on wygodny, gdy amplituda impulsu ulega zmianie w trakcie pomiaru, gdyż na ogół zmienia się wtedy względny moment wyzwalania, co powoduje przemieszczenie obrazu;
synchronizacja zewnętrzna - w tym przypadku do odpowiedniego wejścia należy doprowadzić zewnętrzny impuls wyzwalający, synchroniczny z impulsem badanym.