Un détecteur de traces sur chaque face des feuilles détecte les électrons et positrons de la désintégration double bêta. Électrons et positrons sont identifiés par la courbure de leur trajectoire dans un champ magnétique. L'énergie des électrons est ensuite mesurée dans un calorimètre. Les autres expériences de ce domaine (EXO, CUORE, GERDA, etc.) sont purement calorimétriques, NEMO est la seule à identifier les particules, ce qui lui permet de réduire drastiquement son bruit de fond, mais limite la masse d'isotope par volume de détecteur.
Pour le processus de désintégration double bêta standard, deux neutrinos, qui ne peuvent être observés directement, prennent une partie de l'énergie réduisant ainsi la somme de l'énergie des particules émises électrons. Les neutrinos emportent une part d'énergie variable, ce qui aboutit à un spectre mesurable continu. Dans le cas d'une désintégration sans neutrino, les particules ont toute l'énergie de la désintégration. Aussi, la mesure du spectre d'énergie d'une telle réaction aboutirait à un pic à cette énergie. Cela prouverait que le neutrino est de Majorana, c'est-à-dire que neutrino et anti-neutrino sont identiques. Cela n'a jusqu'à présent jamais été observé.