一個完整的 ALD 周期可分為 4 個步驟：a）將氣相反應前驅體 A 以脈沖形式通入反應腔，在襯底表面發生化學吸附；b）待表面吸附飽和后，通入惰性氣體將剩余的反應前驅體和副產物帶出反應腔；c）將氣相反應前驅體 B 也以脈沖形式通入反應室，并與第一次化學吸附在襯底表面上的反應前驅體 A 反應；d）待反應完成后，再次通入惰性氣體將多余的反應前驅體和副產物帶出反應腔。通常一個周期需要 0.5 秒到幾秒，生長的薄膜厚度大約為 0.01~0.3nm，不斷重復循環這 4 個步驟即可完成整個 ALD 沉積過程。
典型的原子層沉積系統通常由前驅體源、氣路系統、電子控制系統和真空系統構成。一種傳統的、被廣泛使用的 ALD 方法是熱處理原子層沉積（Thermal ALD,TALD），即利用加熱法來實現原子層沉積的技術。不過由于常規 TALD 技術存在沉積速率較低、對某些沉積薄膜的沉積溫度要求較高等缺點，其在工業應用中受到限制。隨著原子層沉積在實驗中不斷優化，研究人員將 ALD 技術與其他技術或物質結合，一系列新的 ALD 技術得以產生和發展，例如等離子體增強原子層沉積（Plasma Enhanced ALD, PEALD）、空間原子層沉積（Spatial ALD,SALD）、電化學原子層沉積（Electrochemical ALD, ECALD）等等。
化學吸附自限制沉積（CS-ALD）過程中，第一種反應前驅體輸入到基體材料表面并通過化學吸附保持在表面。當第二種前驅體通入反應器，就會與已吸附于基體材料表面的第一前驅體發生反應。兩個前驅體之間發生置換反應，并產生相應的副產物，直到表面的第一前驅體完全消耗，反應會自動停止，并形成需要的原子層。而順次反應自限制原子層沉積（RS-ALD）是通過活性前驅體物質與活性基體材料表面發生化學反應來驅動的，即得到的沉積薄膜是由前驅體與基體材料間的化學反應形成的。ALD 就是這兩種自限制過程不斷重復形成薄膜的技術。
