Le système imaginé par Fresnel repose sur les principes d’optique géométrique connus sous le nom de « lois de Descartes ». En passant d’un milieu à l’autre – l’air, le verre, puis de nouveau l’air –, la lumière change de direction. On arrive ainsi à constituer un faisceau de rayons parallèles émis par une source lumineuse placée au foyer de la lentille. Au-delà d’un angle d’incidence, le rayon est piégé dans le verre. On parle alors de « réflexion totale », utilisée dans les parties dites « catadioptriques » de l’appareil.
Dans le système de Fresnel, seules les interfaces air/verre sont donc utiles. Cela permet à Fresnel de réduire la quantité de verre nécessaire en composant des panneaux lenticulaires à échelons. Ce système a deux vertus : réduire le poids de l'appareil qui doit être placé en haut d'une tour et permettre une fabrication de prismes de taille réduite qui sont ensuite assemblés sur un cadre de bronze. Au foyer de l'optique, une lampe à mèches concentriques produit la lumière du phare.
Les premiers appareils de Fresnel avaient trois caractères différents : fixe, à éclipses toutes les minutes, à éclipses toutes les trente secondes. Le caractère intermittent du feu est obtenu grâce à une machine de rotation entraînée par un poids. Ces caractères évolueront au cours du XIXe siècle : la rotation accélérée sur des cuves de mercure et des sources lumineuses plus puissantes – électricité, gaz – permettent de transformer les phares-étoiles de Fresnel en feux « éclair ».
