Là nơi tiếp nhận các ion và biến thành các tín hiện diện để được ghi nhận thành các tín hiệu phổ khối.
Các ion đi ra từ bộ phận tách có cường độ nhỏ nên cần khuyếch đại để phát hiện. Một trong những thiết bị này là máy nhân electron. Nó tạo ra các e thứ cấp khi có e ban đầu đập vào bề mặt tấm kim loại. Độ khuyếch đại khoảng 106 lần khi sử dụng 16 dinôt.
Có nhiều loại detector khác nhau nhưng thường là loại ống nhân điện, ống nhân quang... các tín hiện diện thu được từ detector sẽ được số hóa và lưu trữ dưới dạng các tập tin kỹ thuật số.
Trong phân tích khổ phối, việc xác định chính xác một ion (M+ hay các phân mảnh) rất quan trọng cho việc xác định chất được phân tích. Một hợp chất xác định, trong những điều kiện xác định sẽ cho các ion xác định trên phổ khối. Tuy nhiên, một ion có số khối xác định trên phổ khối lại có thể xuất phát từ nhiều chất khác nhau. Trong phân tích một hỗn hợp bằng sắc ký - khối phổ, nếu điều kiện sắc ký không đảm bảo, các chất tách ra không hoàn toàn dẫn tới phổ
khối thu được sẽ có các ion của các phân tử khác làm ảnh hưởng tới việc nhận định kết quả. Trong các trường hợp này, việc xác định MS thông thường (một lần) không cho được kết quả chính xác. Để khắc phục, người ta sử dụng các kỹ thuật khối phổ n lần với n thường là 2 hay đôi khi hơn. Kỹ thuật này được gọi là MS/MS hay MSn.
Nguyên tắc của các kỹ thuật này là lựa chọn một ion xác định (thường là M+ nhưng cũng có thể là các ion con) trong các ion của lần ion hóa thứ nhất và loại bỏ tất cả các ion khác trong bộ phận phân tích ion. Các ion này sau đó được cho tiếp xúc với 1 lượng nhỏ các khí (thường là argon). Với vận tốc cao, các ion này sẽ va đập vào các phân tử khí và phân thành các mảnh nhỏ hơn. Các ion sinh ra trong lần phân mảnh thứ 2 này sẽ được phân tích và ghi nhận phổ MS. Vì phổ khối ghi nhận được chỉ từ 1 loại ion duy nhất nên không còn bị ảnh hưởng của các tạp chất trong mẫu nữa. Việc nhận định kết quả trên phổ MS/MS sẽ chính xác hơn, đặc biệt khi hàm lượng chất phân tích thấp và nằm trong hỗn hợp phức tạp.
Các thiết bị để thực hiện MS/MS có 2 loại chính là: loại phổ khối nối tiếp và bẫy ion.
Loại cổ điển nhất của phổ khối nối tiếp gồm 3 tứ cực ghép nối tiếp với nhau. Tứ cực thứ nhất làm nhiệm vụ chọn lọc ion. Các ion được chọn sẽ bay vào tứ cực thứ 2 và va đập với khí argon để phân mảnh ion lần 2. Tất cả các ion tạo ra sẽ bay vào tứ cực thứ 3 và được quét lần lượt bởi điện trường để đi tới detector và ghi nhận thành phổ. Do cấu tạo bởi 3 tứ cực nên loại này thường được gọi là triplequad (triple quadrupoles).
Với bẫy ion, cả 3 giai đoạn trên đều xảy tra trong bẫy theo trình tự thời gian. Vì các ion được giữ lại trong bẫy nên việc phân mảnh có thể được thực hiện thêm nhiều lần nữa (MSn). Tuy nhiên, độ nhạy của kỹ thuật này ở các lần sau giảm đi nhanh chóng do số ion giảm. Trên thực tế, người ta thường chỉ sử dụng MS2.
Ngoài hai thiết kế cơ bản trên, còn có các loại lai khác như: Q-Trap (kết hợp giữa tứ cực và bẫy ion), Q-Tof (kết hợp giữa tứ cực và TOF), IT-Tof (kết hợp giữa bẫy ion và TOF)... Các loại thiết bị này kết nối với GC, HPLC... hiện có mặt trên thị trường.