O príncipio de funcionamento do sensor radioactivo reside na absorção de um feixe radioactivo pelo produto do qual se quer medir uma determinada característica, neste caso o nível. Este feixe radioactivo é produzido pela desintegração de determinados materiais radioactivos.

A fonte radioactiva é colocada normalmente no exterior do reservatório. Esta vai emitir raios gama que vão atravessar o reservatório e que vão ser recebidos pelas células de detecção. Há uma redução da intensidade da radiação ao atravessar o reservatório. Esta radiação está continuamente a ser convertida num sinal eléctrico.

A quantidade de radiação recebida pelo detector é inversamente proporcional ao nível do líquido, sendo, no entanto, a absorção dos raios gama proporcional ao produto da densidade e da espessura do material colocado entre a fonte radioactiva e o detector.

Existem sensores de nível radioactivos para a medição de nível em contínuo. O príncipio de funcionamento é igual ao anterior, sendo o detector alongado e colocado verticalmente junto ao reservatório. Quando a altura do reservatório é elevada pode-se utilizar um sensor constituído por uma ou duas fontes e vários detectores colocados em linha.