SIMS大致可以分為“動態二次離子質譜”（D-SIMS）"和“靜態二次離子質譜“（S-SIMS）兩大類。雖然工作原理上它們并無本質差別，但是兩種模式的應用特點卻有所不同。一次離子束流密度大小是劃分兩種模式的主要標準。一般在S-SIMS模式下，一次離子束流被控制在1013離子/cm2，常用飛行時間質量分析器，動態二次離子質譜就是一次離子束流高于10離子/cm2，常用雙聚焦質量分析器。
SIMS操作模式可以分為質譜表面譜、成像模式、深度剖析等。 其中質譜模式質量分辨率最高，常用于鑒別各種材料中所含有的元素、材料中的摻雜、污染物中的成分等。二次離子質譜成像是指二次離子在二維平面上的強度分布，可以直觀的顯示成分的分布，獲得元素離子、分子碎片或分子離子的形貌。深度剖析是指交替式地對分析樣品表面濺射剝離和對濺射區域采集圖譜，從深度剖析結果中可以得到不同成分沿深度方向的分布，可以得到樣品深層或內部化學成分的三維圖像，可以進行對材料或者生物組織微區成分分析。