正交式测量机一般由主机(包括光栅尺)、控制系统、软件系统及测头所组成。
根据ISO10360国际标准《坐标测量机的验收、检测和复检检测》第一部分的规定，根据机械结构，对主要的测量机结构类型作如下分类：
1.移动桥式坐标测量机
这类坐标测量机有沿着相互正交的导轨而运动的三个组成部分，装有探测系统的第一部分装在第二部分上，并相对其作垂直运动。第一和第二部分的总成相对第三部分作水平运动。第三部分被架在机座的对应两侧的支柱支承上，并相对机座作水平运动，机座承载工件。
移动桥式坐标测量机是目前中小型测量机的主要结构型式，承载能力较大，本身具有台面，受地基影响相对较小，开敞性好，精度比固定桥式稍低。
2.固定桥式坐标测量机
这类坐标测量机有沿着相互正交的导轨而运动的三个组成部分，装有探测系统的第一部分装在第二部分上并相对其作垂直运动。第一和第二部分的总成沿着牢固装在机座两侧的桥架上端作水平运动，在第三部分上安装工件。
高精度测量机通常采用固定桥式结构。固定桥式测量机的优点是结构稳定，整机刚性强，中央驱动，偏摆小，光栅在工作台的中央，阿贝误差小，X、Y方向运动相互独立，相互影响小；缺点是被测量对象由于放置在移动工作台上，降低了机器运动的加速度，承载能力较小。经过改进，这类测量机速度已可达400mm/s，加速度达到3000mm/s2，承重达2000kg。典型的固定桥式有目前世界上精度性能最好的出自Hexagon旗下Leitz品牌的PMM-CInfinity测量机。空间测量精度达到创记录的0.3＋L/1000μm。
3.龙门式坐标测量机
这类坐标测量机有沿着相互正交的导轨而运动的三个组成部分，装有探测系统的第一部分装在第二部分上并相对其作垂直运动。第一和第二部分的总成相对第三部分作水平运动。第三部分在机座两侧的导轨上作水平运动，机座或地面承载工件。
龙门式坐标测量机一般为大中型测量机，要求较好的地基，立柱影响操作的开阔性，但减少了移动部分质量，有利于精度及动态性能的提高，正因为此，近来亦发展了一些小型带工作台的龙门式测量机。龙门式测量机最长可到数十米，由于其刚性要比水平臂式好，因而对大尺寸而言可具有足够的精度。
典型的龙门式测量机如来自Hexagon旗下DEA的ALPHA、DELTA和LAMBDA系列测量机。
4.水平悬臂坐标测量机
这类坐标测量机有沿着相互正交的导轨而运动的三个组成部分，装有探测系统的第一部分装在第二部分上并相对其作水平运动。第一和第二部分的总成相对第三部分作垂直运动。第三部分相对机座作水平运动，并在机座上安装工件；如果进行细分，可分为水平悬臂移动式坐标测量机、固定工作台水平悬臂坐标测量机、移动工作台水平悬臂坐标测量机。
水平臂测量机在X方向很长，Z向较高，整机开敞性比较好，是测量汽车各种分总成、白车身时最常用的测量机。
在设计和选型过程中，正交式测量系统的整体结构形式的选择是首先碰到的问题。需要根据被测工件的尺寸、类型和精度要求，选定适合的机器结构形式。
移动桥式：开敞性好，承载能力好，结构刚性好，是中小型测量机的主流机型，占中小型测量机总量的70%-80%。
固定桥式：结构稳定，是高精度测量机的首选型式。
龙门式测量机(高架桥式测量机)：由于其刚性较水平臂测量机要好得多，对大尺寸工件的测量而言具有足够的精度，是大尺寸工件高精度测量的首选。
水平臂式测量机：由于汽车工业测量高度较高(2米左右)，水平方向要伸入车内测内饰件，有时还要两台甚至三台配合使用，在这个领域内水平臂测量机得到广泛使用。