光学纤维由玻璃、石英或塑料等透明材料制成核芯，外面有低折射率的透明包皮。直径通常在几微米到几十微米之间。入射光从光学纤维一端射入时，那些入射角较小的光线进入纤维后，在纤维的核芯-包皮界面上的入射角大于全反射的临界角，因而光线在纤维内作连续的全反射，使光以最低的损耗从纤维一端传输到另一端。纤维的有限弯曲不会影响全反射条件，故传输效率不受影响。成千上万条光学纤维捆扎起来可有效地传输光能，常用作特殊照明。只以传输光能为目的的光学纤维可混乱排列。若将光学纤维排成有序的阵列,输入端与输出端一一对应，就可直接用来传输图像。这种图像传输已应用于医用内窥镜和光导摄像管。激光技术的发展使光学纤维在通讯领域得到重要应用，发展成称为光纤通讯的技术。这是以激光光波作为载波传送声音和图像信号的技术，光学纤维为这种技术的实用化提供了必不可少的传输手段。光纤通讯因其抗干扰能力强、容量大和保密性能好等独特优点而成为新一代的通讯手段。
光学纤维的上述应用都是基于几何光学范畴的全反射原理。此情形下的纤维直径比光波波长要大得多，光的波动性并不重要。若纤维的横向线度与光波波长可比拟，则光在其中传输就同微波沿波导管传播相似，故称光学波导。在集成光学中，光学波导(特别是薄膜型)是重要的组成部分。