Virgo è un interferometro laser di tipo Michelson con due bracci di 3 km disposti ad angolo retto. Uno specchio semitrasparente divide il fascio laser incidente in due componenti uguali mandate nei due bracci dell'interferometro. In ciascun braccio una cavità risonante Fabry-Perot formata da due specchi estende la lunghezza ottica da 3 a circa 100 chilometri per via delle riflessioni multiple della luce e pertanto amplifica la piccola variazione di distanza causata dal passaggio dell'onda gravitazionale. I due fasci di luce laser, provenienti dai due bracci, vengono ricombinati in opposizione di fase su un rivelatore di luce in maniera che, normalmente, non arrivi luce sul rivelatore. La variazione del cammino ottico, causata dalla distanza tra gli specchi che varia, produce un piccolissimo sfasamento tra i fasci e quindi un'alterazione dell'intensità luminosa osservata, proporzionale all'ampiezza dell'onda gravitazionale.

In questo schema, però, gran parte della luce torna indietro verso il laser. Per aumentare la potenza disponibile questa luce viene rimandata nell'interferometro da uno specchio di ricircolo, in fase con il fascio incidente, aumentando la potenza luminosa che può raggiungere svariate decine di chilowatt nelle cavità risonanti Fabry-Perot. Una elevata potenza luminosa è importante perché consente un miglioramento della sensibilità di misura. Con queste cavità risonanti accoppiate l'interferometro può essere visto come una gigante trappola di luce. Se l'ottica fosse perfetta e gli specchi perfettamente in quiete la luce non raggiungerebbe il rivelatore eccetto che al passaggio di un'onda gravitazionale. La qualità e stabilità dell'ottica rappresentano una delle maggiori sfide dell'interferometro.

VIRGO è sensibile alle onde gravitazionali in un ampio spettro di frequenze, da 10 a 10,000 Hz. Questo dovrebbe consentire la rivelazione di radiazione gravitazionale causata dalla coalescenza di sistemi binari (stelle o buchi neri), pulsar, e quella prodotta da supernovae nella Via Lattea e nelle galassie esterne, per esempio fino all'ammasso di galassie Virgo, che dà il nome a questo progetto.

VIRGO funziona giorno e notte, ascoltando tutti i segnali che arrivano a qualsiasi momento da qualunque parte dell'Universo. I dati acquisiti con l'interferometro come pure i dati ausiliari necessari per il suo controllo (4Mbytes/s) sono sottoposti ad una analisi preliminare per la rivelazione veloce di segnali anomali potenzialmente interessanti. I dati vengono poi messi a disposizione della collaborazione scientifica per una analisi più approfondita.