La animación adjunta ilustra el tipo de experimento a que nos estamos refiriendo. Un pulso de luz se emite desde la pared de un laboratorio que suponemos que se mueve en el espacio con una cierta velocidad v. Como vemos, el pulso recorre el laboratorio hasta que llega a la pared opuesta y ahí incide en un espejo. La animación calcula el tiempo que tarda el pulso en realizar el viaje de ida,  el viaje de vuelta y el tiempo total de ida más vuelta. Puesto que, de acuerdo con la teoría electromagnética, la luz ha de viajar con una determinada velocidad en el espacio (la cual no depende del movimiento del laboratorio), los tiempos de ida y de vuelta del pulso luminoso deberían ser desiguales, y, conociéndolos, deberíamos poder obtener el valor de la velocidad del laboratorio en el espacio, v.

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El esquema de la figura adjunta muestra una versión simplificada del interferómetro. M₁ y M₂ son espejos normales. M es un espejo semitransparente (refleja y deja pasar el 50% de la luz) y O representa al observador (puede ser un telescopio). Un haz de luz H pasa por M y se divide en dos haces coherentes de luz H₁ y H₂. El haz 1 se refleja en el espejo M₁ y regresa a M. El haz 2 hace lo propio en M₂ y también regresa a M. Después de que el haz 1 pasa parcialmente por M y el haz 2 se refleja parcialmente en M, ambos haces, 1 y 2, se dirigen al telescopio O, donde interfieren.

Para entender cómo se concibió el experimento, se puede suponer al interferómetro fijo sobre la Tierra y pensar que en el momento de realizar el experimento, la Tierra se está desplazando a través del espacio en el sentido de izquierda a derecha, según se indica en la figura.

En estas condiciones el haz H₁ y el haz H₂ hacen dos recorridos de longitud diferente hasta llegar al observador O (indicados en la figura adjunta) y, por tanto, tardan también un tiempo diferente hasta que interfieren en el telescopio O. De acuerdo con la teoría ondulatoria, las franjas de interferencia producidas dependen de la diferencia de fase entre los dos haces, y, en este montaje, esa diferencia de fase depende a su vez de las longitudes de los brazos del interferómetro y de la velocidad del interferómetro en el espacio.

Michelson y Morley montaron el interferómetro en una gran loza de piedra para obtener mayor estabilidad e hicieron flotar el aparato en mercurio de modo que pudiera girar suavemente sobre su centro. Para que la trayectoria de la luz fuera lo más larga posible, colocaron espejos en la loza que reflejaron los haces de ida y vuelta en 8 viajes completos. Observaron franjas bajo una rotación continua de los aparatos. Repitieron el experimento de día y de noche, para tener en cuenta la rotación de la Tierra alrededor de su eje, e hicieron mediciones durante todas las estaciones del año.