שפופרת גייגר-מילר היא מרכזו של מונה גייגר ומונים דומים. השפופרת נותנת פולס חשמלי כאשר חולף בה חלקיק קרינה ומצליח להוציא אלקטרון מדפנותיה או מאחד אטומי הגז שבתוכה.

השפופרת עשויה מגליל מתכתי (הקתודה) שבמרכזו תיל מתכתי (האנודה) הנמצא בהפרש מתחים, כך שלתייל מתח חיובי לעומת הקתודה. ביניהם יש תערובת שרובה מורכבת מגז אציל (לרוב ארגון) ומיעוטה מולקולות אורגניות (כגון כוהל) בעלות מבנה מורכב. בצידה של השפופרת ישנו חלון, העשוי ממברנה דקה, דרכו יכולה הקרינה להיכנס. (בעיקר קרינות בטא ואלפא, כיוון שקרינת גמא יכולה להיכנס ולצאת דרך דפנות המתכת).

כאשר חלקיק (חלקיק טעון, או פוטון גמא) נכנס לשפופרת ומוציא אלקטרון מהגז שבתוכה או מדפנותיה, האלקטרון האנרגטי גורם לשרשרת של יינון בגז האציל, כאשר כל אלקטרון שמשתחרר פוגע באטום אחר, ומוציא ממנו עוד אלקטרון, וכן הלאה. תהליך זה מכונה מפולת. המפולת נפסקת כאשר כל האנרגיה של האלקטרון הראשוני "מתבזבזת" על אנרגיית הקשר בין האלקטרונים לבין האטומים. מכיוון שאנרגיית החלקיקים היא בסדר גודל של כמיליון אלקטרון וולט, ואילו אנרגיית הקשר של גז אציל היא בסדר גודל של כעשרה אלקטרון וולט, משתחררים כך כ- 10⁵ אלקטרונים.

כאשר המתח בין האנודה לקתודה לא עולה בהרבה על אנרגיית הקשר של האלקטרונים לאטומי הארגון, כל מה שהמתח עושה הוא למשוך את האלקטרונים אל האנודה (התיל המרכזי). כאשר הם זורמים לכיוון הקתודה, אפשר למדוד את הפולס שהם יוצרים בעוברם במערכת האלקטרונית המקשרת בין האנודה הקתודה. מונה הפועל על עיקרון זה מכונה תא יינון.

כאשר מגבירים את המתח בין האנודה לקתודה, האלקטרונים מואצים במפל המתחים, מקבלים עוד אנרגיה מהשדה החשמלי, וכך יכולים להשתחרר במפולת עוד אלקטרונים, והפולס מוגבר באופן אקספוננציאלי למתח. אולם הפולס פרופורציונלי לאנרגיה של החלקיק הפוגע. לכן מכשיר מדידה הפועל על עיקרון זה מכונה מונה פרופורציוני. מהאות המתקבל בשפופרת ניתן לשחזר את האנרגיה של החלקיק המקורי, ולהבדיל בין קרינות של חלקיקים בעלי אנרגיות שונות.

בנוסף ליינון האטומים, ישנו תהליך חשוב נוסף: כאשר לאלקטרונים שפוגעים באטומי הארגון אין מספיק אנרגיה בשביל ליינן אותם אבל יש אנרגיה הגבוהה מההפרש בין רמת היסוד של האטום לרמה המעוררת הראשונה, הם יכולים לעורר את האטומים. האטומים המעוררים משחררים את האנרגיה בצורת פוטון אולטרה-סגול. פוטון זה יכול לשחרר אלקטרון איטי מדפנות השפופרת על ידי האפקט הפוטואלקטרי. במתחים נמוכים, אין לדבר משמעות רבה. אולם כאשר המתח בשפופרת גדול מספיק, יש סיכוי גדול שאלקטרון זה יואץ על ידי המתח עד כדי כך שהוא יוכל להתחיל מפולת משלו. מפולת זו תוציא גם היא פוטונים שיוציאו אלקטרונים מדפנות בשפופרת, וההתפרקות שבמתחים נמוכים הייתה מקומית, תתפשט בכל חלל השפופרת. ההתפרקות נעצרת כאשר מספר מסוים של אלקטרונים משתחרר. היונים שהם משאירים מאחוריהם, ושבגלל איטיותם לא מספיקים להגיע לקתודה, מעוותים את הפוטנציאל החשמלי בתוך השפופרת, ולא מאפשרים את המשך היינון. מכיוון שהמטען הדרוש לכך לא תלוי באנרגיה של הקרינה, האות הוא אחיד, ואי אפשר בעזרתו לדעת מה הייתה אנרגיית החלקיק הפוגע, אלא רק לקבל אינדיקציה על עצם הפגיעה. תחום המתחים בו זה קורה נקרא תחום גייגר, ובו משתמשים במונה גייגר.

כאשר היונים מגיעים לקתודה והופכים חזרה לאטומים, הדבר מלווה בשחרור פוטון אולטרה סגול, שעלול להתחיל התפרקות חדשה אם הפוטנציאל בתוך השפופרת חזר לצורתו המקורית. לשם כך בנוסף לארגון יש בשפופרת כמות מעטה של מולקולות אורגניות שבגלל המבנה המורכב שלהם סופגות את האנרגיה, ופולטות אותה, אם בכלל, בפוטונים בטווח האינפרא אדום, שאינם מסוגלים להוציא אלקטרון מהמתכת. אולם בתהליך מתפרקות המולקולות האלה, מה שמגביל את מספר ההתפרקויות שאפשר למדוד בתא.

חיסרון נוסף לשימוש בתחום גייגר, הוא הזמן המת הארוך יחסית, בו אי אפשר לקלוט פגיעת חלקיק אחרי הפגיעה הקודמת. זמן זה יכול להגיע לסדר גודל של כעשירית מילי-שנייה.

מדיה וקבצים בנושא שפופרת גייגר-מילר בוויקישיתוף