菲涅尔透镜的原理主要基于 光的折射和干涉现象。当光线通过菲涅尔透镜时，在透镜上的凸面镜会发生反射和折射，形成一系列干涉环。这些干涉环会将光线聚焦在透镜的中心点上，形成一个明亮的光点。
菲涅尔透镜的设计使其能够在保持良好聚焦性能的同时，极大地减小了透镜的厚度和重量。其表面由一系列环形凸面镜组成，从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，这些小透镜将光线调整成平行光或聚光。
菲涅尔透镜的工作原理还可以理解为，如果一个透镜的折射作用只发生在其表面，那么可以去掉透镜内部的材料，只保留表面的弯曲度。这样，每个圆环下面的对应一个高度不同的圆环柱，通过去掉圆环柱中间较厚的部分，使每个圆环柱的高度接近，从而形成一个带有环形凹槽的平板。每一个圆环的曲率和倾角均使通过它的光线汇聚到共同的焦点上，这样就形成了菲涅尔透镜。
菲涅尔透镜在多个领域都有广泛应用，包括航海和航空、汽车和摩托车、太阳能、照明和摄影等。