Das Photon Mapping funktioniert ähnlich wie das Raytracing-Verfahren. Während Raytracing mit Strahlen vom Augpunkt aus arbeitet, nutzt Photon Mapping von der Lichtquelle ausgehende Strahlen. Das Photon Mapping arbeitet mit virtuellen Partikeln, so genannten "Photonen", von denen das Licht in den Raum strahlt. Treffen sie auf eine Oberfläche, werden sie reflektiert und die Lichtwerte dort gespeichert. Eine eigene Karte (Photon Map) speichert die Einstellungen der Photonen. Sie ist damit nicht an die Geometrie gebunden und kann für Simulationen mit verteilten Berechnungen im Netzwerk eingesetzt werden. Die Kameraposition lässt sich modifizieren ohne eine neue Berechnung durchzuführen - wenngleich dieser Vorgang nicht interaktiv möglich ist.
Je mehr Photonen das Modell aufweist, desto akkurater lassen sich die Übergänge im Rendering gestalten und desto mehr nimmt der Rechenaufwand zu. Nach einer bestimmten Anzahl an Reflexionen hat die Photonenkarte die gewünschte Präzision. In einem weiteren Prozess können die Punkte durch eine Glättung (Gathering) verschmolzen werden.
Das Photon Mapping dient derzeit als Basis für weitere Berechnungsverfahren. Um Details besser darzustellen, wird eine Kombination mit Raytracing verwendet. Eine ausschließlich auf Raytracing basierende Methode kann bei Modellen mit sehr kleinen und sehr hellen Lichtquellen aufwendiger sein.