Face ID dựa trên cảm biến nhận dạng khuôn mặt bao gồm hai phần: mô-đun máy chiếu chấm chiếu hơn 30.000 điểm hồng ngoại lên mặt người dùng và mô-đun camera hồng ngoại đọc mẫu. Mẫu được mã hóa và được gửi đến "Bảo mật liên kết" cục bộ trong CPU của thiết bị để xác nhận khớp với khuôn mặt đã đăng ký. Dữ liệu khuôn mặt được lưu trữ là biểu diễn toán học của các chi tiết chính của khuôn mặt và không thể truy cập được đối với Apple hoặc các bên khác. Để tránh xác thực không tự nguyện, hệ thống yêu cầu người dùng mở mắt và nhìn vào thiết bị để thử khớp, mặc dù điều này có thể bị vô hiệu hóa thông qua cài đặt trợ năng. Face ID tạm thời bị vô hiệu hóa và mật khẩu của người dùng được yêu cầu sau 5 lần quét không thành công, 48 giờ không hoạt động, khởi động lại thiết bị hoặc nếu hai nút bên của thiết bị được giữ nhanh chóng.

Apple tuyên bố xác suất người khác mở khóa điện thoại bằng Face ID là 1 trên 1.000.000 so với Touch ID ở mức 1 trên 50.000. Trong quá trình thiết lập ban đầu, khuôn mặt của người dùng được quét hai lần từ một số góc để tạo bản đồ tham chiếu hoàn chỉnh. Khi hệ thống được sử dụng, nó tìm hiểu về các biến thể điển hình về ngoại hình của người dùng và sẽ điều chỉnh dữ liệu khuôn mặt đã đăng ký để phù hợp với sự lão hóa, sự phát triển của lông mặt và các thay đổi khác khi sử dụng Công cụ thần kinh. Hệ thống sẽ nhận diện khuôn mặt đội mũ, khăn quàng cổ, đeo kính, nhiều kính râm, tóc trên khuôn mặt hoặc trang điểm. Nó cũng hoạt động trong bóng tối bằng cách vô hình chiếu sáng toàn bộ khuôn mặt bằng mô-đun flash hồng ngoại chuyên dụng.