L’interféromètre VIRGO est du type Michelson avec deux bras orthogonaux de trois kilomètres de long chacun. Un miroir séparateur divise le faisceau incident entre les deux bras de l’interféromètre. Dans chaque bras, les réflexions multiples entre les deux miroirs d’une cavité résonante Fabry-Perot augmentent la distance effective de mesure de 3 à environ 100 kilomètres et donc la sensibilité dans la même proportion.
Les deux faisceaux lumineux provenant des deux bras sont ensuite recombinés en opposition de phase sur un détecteur en s’annulant de telle façon que, en principe, aucune lumière n’atteint le détecteur. Alors, la très petite variation de phase causée par la variation de distance entre les miroirs se traduit par une très légère variation du flux lumineux, proportionnelle à l’amplitude de l’onde gravitationnelle.

Cependant, dans ce schéma, une grande partie de la lumière se trouve renvoyée vers le laser. De façon à augmenter la puissance disponible, un miroir, dit de recyclage, placé entre le laser et le miroir séparateur renvoie cette lumière dans l’interféromètre en phase avec le faisceau lumineux incident, ce qui permet d’atteindre une puissance de plusieurs dizaines de kilowatts dans les cavités Fabry-Perot. Augmenter la puissance lumineuse permet d’améliorer la sensibilité de l’interféromètre. Une fois toutes les cavités résonantes couplées et stabilisées, l’interféromètre peut être vu comme un énorme piège à lumière. Si l’optique était parfaite et les miroirs parfaitement stables, aucune lumière n’atteindrait le détecteur sauf lorsqu’une onde gravitationnelle traverse le plan de l’interféromètre. La qualité et la stabilité des éléments optiques sont donc essentielles et représentent un des défis majeurs de l’interféromètre.

VIRGO est sensible aux ondes gravitationnelles dans un large domaine de fréquences allant de 10 à 10.000 Hz. Ce domaine correspond aux ondes gravitationnelles émises durant la coalescence des systèmes binaires par la rotation des pulsars ou l’explosion de supernovae dans la voie lactée et dans les galaxies proches, par exemple dans l’amas de la Vierge (VIRGO), d’où l’expérience tire son nom.
VIRGO fonctionne de jour comme de nuit, constamment à l’écoute des signaux provenant de toutes les parties de l’univers. Les signaux issus de l’interféromètre ainsi que l’ensemble des signaux auxiliaires nécessaires à son contrôle (4Mbytes/s) sont soumis à une première analyse informatique de façon à détecter toute anomalie potentiellement intéressante. Ces données sont ensuite mises à la disposition de la collaboration scientifique pour une étude ultérieure plus avancée.