Im einfachsten Fall ist das ein quaderförmiger Kasten mit gut leitenden Wänden (bei Mikrowellen) oder verspiegelten Wänden (bei sichtbarem Licht) mit wohldefinierten Abmessungen. In ihm können sich stehende Wellen ausbilden, mit Wellenlängen bzw. Frequenzen ("Eigenfrequenzen"), die eng mit den Abmessungen des Resonators zusammenhängen. Bei einem quaderförmigen vakuumgefüllten Resonator lässt sich eine bestimmte Zahl von halben Wellenlängen genau in die Resonatorlänge L einpassen. Es gilt dann L = λ/2 · n, n = 1, 2, 3, ... bzw. 1/λ = n/(2·L) oder für die Wellenzahl k_x =2·π/λ = n·π/L. Nur solche stehenden Wellen (Moden) können sich zu nennenswerter Amplitude aufbauen. Ähnliches gilt für die Querrichtungen mit den Maßen B und H.

Angeregte Atome können mit Vorliebe Photonen abgeben, wenn diese "der Resonator aufnehmen kann", wenn also die zugehörige Lichtfrequenz mit einer der Eigenfrequenzen des Resonators übereinstimmt. Dann fördert also der Resonator die Abgabe solcher Photonen, er vermindert die Lebensdauer der Atome im angeregten Zustand. Stimmt aber die Lichtfrequenz mit keiner der Eigenfrequenzen überein, dann kann der Resonator das Photon nicht aufnehmen, die Lichtaussendung wird behindert, die Lebensdauer der Atome im angeregten Zustand wird vergrößert (experimentell bis zu größenordnungsmäßig 50 s).

Hohlraumresonatoren werden deshalb verwendet, wenn man die Lebensdauer atomarer Zustände beeinflussen möchte, wenn man von Atomen abgegebene Photonen speichern und später nachweisen möchte, oder wenn man aus den möglichen Photonenenergien, die ein Atom abgeben kann, nur ganz bestimmte zulassen möchte. Es gibt einen eigenen Zweig der Quantenelektrodynamik (QED), die Hohlraum-QED (cavity QED), die die Quantentheorie des elektromagnetischen Felds und seine Ankopplung an Atome in solchen Hohlräumen beschreibt. Aus ihm folgen weitere unerwartete Effekte. Mit ihnen lassen sich Atome in energetisch un-be-stimmte Zustände bringen, aber auch verschränkte Zustände zwischen einem Atom und dem elektromagnetischen Feld erzeugen. Es gibt auch eine raffinierte Möglichkeit, einzelne Atome zu zählen, indem man nutzt, dass auch ein einzelnes Atom den Hohlraumresonator "verstimmt".

Auch beim Laser wird ein Hohlraumresonator verwendet, der wesentlich dafür verantwortlich ist, dass nur Photonen aus einem sehr schmalen Energiebereich ausgestrahlt werden: Keine (weitgehend) monochromatische Laser-Strahlung ohne Resonator!

Spontane Emission von freien Atomen, auch außerhalb eines Hohlraumresonators, wird durch Vakuumfluktuationen ausgelöst, d.h. durch kurzzeitig auftretende Schwankungen des elektrischen Feldes in einem Zustand mit keinem Photon (= "Vakuum"). Ein Hohlraumresonator kann bestimmte Vakuumfluktuationen unterdrücken oder fördern. Auch sie müssen zu den Dimensionen passen. Je nachdem wird ein bestimmter strahlender Übergang verhindert oder erleichtert, was sich stark auf die Linienbreite des Übergangs auswirkt.

Die Güte Q eines Hohlraumresonators, definiert durch die Linienbreite Δω einer Mode und die Kreisfrequenz ω selbst, Q = ω/Δω, hängt von verschiedenen Parametern ab, u.a. von der Verlustrate und damit vom Reflexionsvermögen und vom Absorptionsvermögen der Spiegel. Je geringer das Reflexionsvermögen oder je größer das Absorptionsvermögen, desto größer ist die Verlustrate. Je geringer die Leitfähigkeit des spiegelnden Materials ist, desto mehr wird die Hohlraumschwingung durch Absorption gedämpft, desto geringer ist die Güte Q. Umgekehrt ist die Linienbreite einer Eigenschwingung des Resonators (einer Mode) Δω = ω/Q . Je größer die Güte Q des Resonators, desto "schärfer ist die Resonanz".

Vgl. Einige Grundfakten aus der Hohlraum-Quantenelektrodynamik (Cavity Quantum Electrodynamics)

Aus der Wellengleichung folgt für die Eigenfrequenzen    (ω/c)² =   k_x² +  k_y² +  k_z²   , also   (ω/c)² = (n·π/L)² +  (m·π/B)² + (p·π/H)²           n, m, p = 1, 2, 3, ... .