I principali componenti di un mass flow controller sono il sensore, il bypass, la valvola di regolazione e le guarnizioni.

Il sensore è l'elemento centrale del mass flow controller: è costituito da un sottilissimo capillare (in acciaio inox), avvolto da una resistenza. In assenza di flusso gassoso, la temperatura all'interno del tubo è bilanciata tra le due estremità del sensore. Quando il gas passa attraverso il capillare, la curva di temperatura viene distorta, creando così un differenziale di temperatura che viene misurato, amplificato e linearizzato in modo tale da creare un segnale in grado di controllare una valvola proporzionale di regolazione.

Il bypass si trova a valle del sensore, ed è generalmente costituito da "lamelle" circolari in acciaio inossidabile di spessore molto ridotto, oppure da un "cono" metallico. Il suo scopo principale è di diffondere uniformemente il flusso di gas all'interno dello strumento, e, visto che all'interno del sensore passa una ridottissima percentuale del gas totale, di calcolare il flusso totale rapportandolo al flusso del sensore.

La valvola di regolazione può essere di tre tipi:
Valvola termica, caratterizzata da un tempo di risposta di 6 secondi circa (da 0 a 100% del fondo scala), normalmente aperta.
Valvola a solenoide, più veloce della valvola termica (2 secondi tra 0 e 100% del fondo scala), e che può essere normalmente aperta o chiusa
Valvola piezo-elettrica, molto veloce (0,2 secondi tra 0 e 100% del fondo scala), disponibile in versione normalmente aperta o chiusa. Questa tipologia di valvola è montata sui mass flow controllers in versione elettrolucidata internamente, per applicazioni con gas iperpuri.

Le guarnizioni possono essere elastomeriche oppure metalliche, in modo da garantire un uso adatto a tutti i tipi di gas.

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