MIMO là viết tắt của multiple input, multiple output. Nguyên lý của MIMO là nhiều anten trên thiết bị. Ví dụ, một đài phát thanh sử dụng MIMO 2×2 sẽ có hai anten được sử dụng cho cả truyền và nhận. Điều tương tự cũng xảy ra với MIMO 4×4 và 8×8. MIMO cải thiện hiệu suất phổ bằng cách tạo ra nhiều đường truyền nhận giữa trạm gốc và thiết bị đầu cuối. Bản thân MIMO không có gì mới, cả mạng Wi-Fi và LTE đều đã sử dụng anten MIMO. Hầu hết các trạm của LTE là một trong hai loại 2×2 hoặc 4×4. Một số nhà mạng LTE A đã tiến thêm một bước nữa bằng cách triển khai MIMO 8×8 trong băng tần TDD. Massive MIMO không có một ý nghĩa cụ thể nào khác ngoài việc có nhiều anten hơn so với những gì hiện đang được sử dụng trong các mạng di động.
Massive MIMO mang lại 2 lợi ích chính. Một là, tăng vùng phủ của sóng 5G nhờ có nhiều anten hơn. Về cơ bản, khác biệt của Massive MIMO đến từ việc nhà cung cấp dịch vụ có thể tăng dung lượng mạng do số luồng dữ liệu phát tăng mà không cần sử dụng tới các trạm phát lặp lại hay trạm gốc bổ sung. Hai là, sẽ có nhiều người dùng được phục vụ đồng thời hơn so với 4G, khi mà có nhiều cặp anten thu phát được phân bổ cho người dùng hơn. Tuy nhiên, vì rất nhiều dữ liệu được mã hóa không gian và truyền đi cùng lúc, nên tại thiết bị đầu cuối như điện thoại di động chẳng hạn, sẽ nhận được rất nhiều luồng dữ liệu phát cho nhiều user khác nhau.