В аналоговых синтезаторах  для генерации и обработки звука используются физические процессы, протекающие в электрических цепях. Изменения электрического сигнала, вызываемые этими процессами, после усиления и воспроизведения через наушники или динамики и создают звук. Аналоговые синтезаторы реализуют аддитивный и субтрактивный типы синтеза.

В отличие от аналоговых, в цифровых синтезаторах для генерации и обработки звука используются математические модели как реальных (осциллирования, фильтрации, модуляции), так и абстрактных процессов.

Эти модели реализуются с помощью специализированных логических схем с фиксированным алгоритмом работы, с помощью цифровых сигнальных процессоров, либо с помощью центрального процессора, выполняющего определенную программу. Результат моделирования, представляющий собой числовую последовательность, попадает на цифро-аналоговый преобразователь, где преобразуется в электрический сигнал. Этот сигнал после усиления и воспроизведения через наушники или динамики и создает звук.

Разновидностью цифровых синтезаторов являются виртуальные (или программные) синтезаторы, которые могут быть реализованы в виде самостоятельной программы или подключаемого модуля (плагина).

Цифровые синтезаторы реализуют любые типы синтеза, в т.ч. FM-синтез, сэмплирование и физическое моделирование.

Кроме того, широкое распространение получили цифровые (в т.ч. виртуальные) эмуляторы классических аналоговых синтезаторов.