Падающий на поверхность плоско поляризованный свет приобретает при отражении и преломлении эллиптическую поляризацию вследствие наличия тонкого переходного слоя на границе раздела сред, и оптические постоянные этого слоя определяют параметры эллиптической поляризации.

Основная область применения эллипсометрии — определение оптических постоянных тонких (например, оксидных) пленок, а также их толщин в диапазоне, существенно меньшем длины волны света. Интерес к эллипсометрии возрос в 70–80-х гг. XX в. в связи с особым значением, которое стали придавать анализу структуры, изучению физико-химических свойств и контролю чистоты поверхностей вследствие быстрого развития твердотельной (прежде всего, полупроводниковой) электроники. Эллипсометрия используется также для исследования адсорбции в глубоком вакууме на плоских поверхностях металлов, адсорбции полимеров на границе жидкость–газ и жидкость-жидкость, процессов катализа на микроуровне, свойств верхних слоев поверхностей, подвергнутых коррозии, в электрохимии для изучения окисления электродов, в микробиологии — для исследования оболочек клеток и липидных мембран и др.

Достоинствами эллипсометрии являются простота и быстрота измерений (имеются автоматические эллипсометры), возможность производить их в ходе процесса (in situ), в вакууме, при высоких температурах, в агрессивных средах; кроме того, при экспериментах поверхности не загрязняются и не разрушаются. Главный недостаток метода — трудность правильного выбора модели отражающей системы и интерпретации результатов измерений. Поэтому наиболее перспективно сочетание эллипсометрии с другими методами исследования поверхности, например с электронной оже-спектроскопией, ультрафиолетовой и рентгеновской спектроскопией, методами дифракции электронов и рассеяния ионов.