超速離心機的離心速度為每分鐘60000轉或更多，離心力約為重力加速度的500000倍，可分成制備性超速離心機和分析性超速離心機兩大類。兩者均裝有冷凍和真空系統。制備性超速離心機容量較大，主要用于分離制備線粒體、溶酶體和病毒等以及具有生物活性的核酸、酶等生物大分子。分析性超速離心機另裝有光學系統，可以監測旋離過程中物質的沉降行為并能拍攝成照片。
在操作技術上，最常用的是差速離心和密度梯度離心。前者是交替使用低速和高速離心，用不同強度的離心力使具有不同質量的物質分級分離的方法。此法適用于混合樣品中各沉降系數差別較大組分的分離。欲分離沉降系數接近的物質，則廣泛使用密度梯度離心法。這種方法使用一種密度能形成梯度（在離心管中，其密度從上到下連續增高）又不會使所分離的生物活性物質凝聚或失活的溶劑系統，離心后各物質顆粒能按其各自的比重平衡在相應的溶劑密度中形成區帶。常用的密度梯度溶劑是蔗糖或氯化銫（CsCl）溶液。
用蔗糖時，先將蔗糖溶液制成密度梯度溶液，再在其頂端加樣品。離心后，如欲收集所分離的組分，可在離心管的下端刺一小洞，然后分部收集。如用CsCl這種密度大又擴散迅速的溶劑系統時，可將樣品均勻地混合于溶劑中。離心達到平衡后， CsCl溶液形成密度梯度，樣品中各組分也在相應密度處形成區帶。