利用本地產生的振盪波與輸入信號混頻，將輸入信號頻率變換為某個預先確定的頻率的方法。超外差原理最早是由E.H.阿姆斯壯於1918年提出的。這種方法是為瞭適應遠端通信對高頻率、弱信號接收的需要，在外差原理的基礎上發展而來的。外差方法是將輸入信號頻率變換為音頻，而阿姆斯壯提出的方法是將輸入信號變換為超音頻，所以稱之為超外差。1919年利用超外差原理製成超外差接收機。這種接收方式的性能優於高頻（直接）放大式接收，所以至今仍廣泛應用於遠端信號的接收，並且已推廣應應用到測量技術等方面。
超外差原理如圖1。本地振蕩器產生頻率為f1的等幅正弦信號，輸入信號是一中心頻率為fc的已調制頻帶有限信號，通常f1＞fc。這兩個信號在混頻器中變頻，輸出為差頻分量，稱為中頻信號，fi=f1-fc為中頻頻率。圖2表示輸入為調幅信號的頻譜和波形圖。輸出的中頻信號除中心頻率由fc變換到fi外，其頻譜結構與輸入信號相同。因此，中頻信號保留瞭輸入信號的全部有用信息。
超外差原理的典型應用是超外差接收機（圖3）。從天線接收的信號經高頻放大器（見調諧放大器）放大，與本地振蕩器產生的信號一起加入混頻器變頻，得到中頻信號，再經中頻放大、檢波和低頻放大，然後送給用戶。接收機的工作頻率范圍往往很寬，在接收不同頻率的輸入信號時，可以用改變本地振蕩頻率f1的方法使混頻後的中頻fi保持為固定的數值。
接收機的輸入信號uc往往十分微弱（一般為幾微伏至幾百微伏），而檢波器需要有足夠大的輸入信號才能正常工作。因此需要有足夠大的高頻增益把uc放大。早期的接收機采用多級高頻放大器來放大接收信號，稱為高頻放大式接收機。後來廣泛采用的是超外差接收機，主要依靠頻率固定的中頻放大器放大信號。
和高頻放大式接收機相比，超外差接收機具有一些突出的優點。
① 容易得到足夠大而且比較穩定的放大量。
② 具有較高的選擇性和較好的頻率特性。這是因為中頻頻率fi是固定的，所以中頻放大器的負載可以采用比較復雜、但性能較好的有源或無源網絡，也可以采用固體濾波器，如陶瓷濾波器（見電子陶瓷）、聲表面波濾波器（見聲表面波器件）等。
③ 容易調整。除瞭混頻器之前的天線回路和高頻放大器的調諧回路需要與本地振蕩器的諧振回路統一調諧之外，中頻放大器的負載回路或濾波器是固定的，在接收不同頻率的輸入信號時不需再調整。
超外差接收機的主要缺點是電路比較復雜，同時也存在著一些特殊的幹擾，如像頻幹擾、組合頻率幹擾和中頻幹擾等(見混頻器)。例如，當接收頻率為fc的信號時，如果有一個頻率為fć=f1+fi的信號也加到混頻器的輸入端，經混頻後也能產生|f1-fć|=fi的中頻信號，形成對原來的接收信號fc的幹擾，這就是像頻幹擾。解決這個問題的辦法是提高高頻放大器的選擇性，盡量把由天線接收到的像頻幹擾信號濾掉。另一種辦法是采用二次變頻方式。
二次變頻超外差接收機的框圖如圖4。第一中頻頻率選得較高，使像頻幹擾信號的中心頻率與有用輸入信號uc的中心頻率差別較大，使像頻信號在高頻放大器中受到顯著的衰減。第二中頻頻率選得較低，使第二中頻放大器有較高的增益和較好的選擇性。
隨著集成電路技術的發展，超外差接收機已經可以單片集成。例如，有一種單片式調幅-調頻（AM/FM）接收機，它的AM／FM高頻放大器、本地振蕩器、混頻器、AM/FM中頻放大器、AM/FM檢波器、音頻功率放大器以及自動增益控制(AGC)、自動頻率控制(AFC)、調諧指示電路等(共700個元件)均集成在一個面積為2.4×3.1毫米2芯片上，它的工作電壓范圍為1.8～9伏，工作於調幅與調頻方式的靜態電流分別為3毫安和5毫安。