超高真空系統要用出氣率極低的不銹鋼制成，超高真空則由一系列的真空泵組來實現和維持，包括機械泵、渦輪分子泵、離子泵、鈦升華泵等等。得益于現代超高真空技術的發展，MBE 系統的真空度一般都能達到優于1×10-10 Torr（乇）的水平。在這個真空度下，即使系統里面的殘余氣體百分之百地吸附到單晶襯底的表面，鋪滿一個原子層也需要一小時左右。這時的殘留氣體以氫氣為主，而常溫下氫氣很難吸附于大部分材料，因此這里無疑是地球上潔凈的地方。生長薄膜所用的單晶襯底則要置于襯底加熱臺上，它位于真空系統的中心位置，其溫度的控制與蒸發源類似，都是通過 PID 控制器調控，用以優化生長。用于靶材加熱的蒸發源同時指向真空系統的中心（襯底所在處），每個蒸發源可進行獨立、的溫度控制，以保證穩定的分子束流或原子束流。對大型 MBE 系統而言，如果設計合適，可以安裝十幾個高純元素的蒸發源，用于多組分復雜化合物薄膜的制備。

MBE 薄膜生長的實時監測則由反射式高能電子衍射儀（Reflection High Energy Electron Diffraction, RHEED）完成。RHEED電子槍發射的高能電子以掠角入射（小于4度），經過襯底樣品表面反射后再以掠角方式到達熒光屏。這種工作機制使得薄膜的生長和實時監測互不干擾，這是 MBE 的另一大優點：在已知的薄膜生長裝置中，RHEED 是利用電子作為探針、原位實時監測薄膜生長的設備。通過記錄分析 RHEED 的衍射花樣和強度，我們可以了解薄膜在生長過程中其表面的平整度、結晶的好壞和晶體結構等重要信息。表面越平整， RHEED 信號就越強，衍射條紋也越長。