H.E.S.S. beobachtet Gammastrahlung. Wenn diese sehr energiereiche elektromagnetische Strahlung auf die Erdatmosphere trifft, löst sie dabei einen sog. Teilchenschauer mit einer Vielzahl an geladenen Teilchen aus. Diese Teilchen sind immer noch so energiereich, dass sie sich schneller als Licht in der Atmosphäre bewegen können (Licht breitet sich in der Luft langsamer als im Vakuum aus). Außerdem regen geladene Teilchen andere Atome und Moleküle beim Passieren zum Aussenden von Lichtwellen an.
Was dann passiert ist sehr ähnlich zu dem, was bei Flugzeugen beobachtet wird, wenn ihre Geschwindigkeit die Schallgeschwindigkeit übersteigt: die einzelnen Wellen überlagern sich zu einer Front, was bei Flugzeugen zum Überschallknall führt. Bei Teilchenschauern spricht man von Cherenkov-Strahlung, ein Lichtblitz, der einige Milliardstel einer Sekunde dauert, zu kurz, um vom menschlichen Auge erfasst zu werden. Die Spiegel von H.E.S.S. und ihre Hochgeschwindigkeitskameras hingegen können diese Strahlung abbilden. Ein Bild wird aufgenommen, das die Richtung der Luftschauer und damit auch die Richtung zur Quelle des Gamma-Photons zeigt.
Die Intensität des Bildes ist ein Maß für die Energie der Photonen. Wenn nur ein Teleskop einen Teilchenschauer beobachtet, ist es schwierig die Geometrie des Schauers und die genaue Ursprungsrichtung zu bestimmen. Meistens werden deshalb mehrere Teleskope miteinander kombiniert und diese erlauben eine stereoskopische Bestimmung der Luftschauergeometrie.
Im Fall von H.E.S.S. befinden sich die vier 12 m Teleskope in einem Viereck mit 120 m Seitenlänge und das 28 m Teleskop steht in der Mitte. Jedes Teleskop kann um zwei Achsen gedreht werden, sodass Objekte am Nachthimmel automatisch verfolgt werden können. Ein Video der Helmholtz Alliance For Astroparticle Physics demonstriert die Beweglichkeit der Teleskope.
Die 12 m Teleskope sind jeweils aus 382 Spiegeln mit 60 cm Durchmesser zusammengesetzt und erreichen eine Gesamtspiegelfläche von 108 m². Das 28 m-Teleskop dagegen besteht aus 875 hexagonalen Spiegeln mit 90 cm Durchmesser und hat eine Gesamtspiegelfläche von 614 m². An jedem Spiegel sind zwei sog. Aktuatoren angebracht, Motoren, die eine Fernkontrolle der Spiegel erlauben. Vor jeder Beobachtung werden die Spiegel automatisch ausgerichtet, um die Abbildung des beobachteten Objektes zu optimieren.