Irving Langmuir zeigte erstmals, dass amphiphile Moleküle die Fähigkeit stabile monomolekulare Schichten an der Wasser-Luft-Grenzfläche bilden können. Amphiphile Moleküle bestehen aus zwei Teilen: einer unpolaren Kette, normalerweise eine bzw. mehrere Kohlenwasserstoffketten, und zum anderen einer polaren "Kopfgruppe", z.B. einer Hydroxyl-, Amin- und Carboxyl-Gruppe. Die amphiphile Verbindung wird in einem leicht verdampfbaren Lösungsmittel gelöst (z.B. Chloroform) und auf der Wasseroberfläche (Subphase), welches sich in einem speziellen Langmuir Trog befindet, verteilt (Abb. 1). Nach Verdampfen des Lösungsmittels wird mittels beweglichen Barrieren die Oberfläche der bedeckten Flüssig-gas-Grenzfläche verkleinert und somit die Monolage an der Grenzfläche komprimiert.

Durch die Kompression der Moleküle werden diese allmählich zusammengeschoben und bilden einen Film in dem die Moleküle dicht gepackt sind. Die Filmbildung wird über die Messung des Oberflächendrucks (π) verfolgt. Die Bildung der Monolage an der Wasseroberfläche bewirkt eine Abnahme der Oberflächenspannung des Wassers. Der Oberflächendruck (π) ist definiert als die Differenz zwischen der Oberflächenspannung der sauberen Wasseroberfläche (γ₀) und der Oberflächenspannung mit einer Monolage an der Wasser-Luft-Grenzfläche (γ):

In Abb. 2 ist die Änderung des Oberflächendrucks als Funktion der Fläche pro Molekül dargestellt. Diese Diagramme heißen Isothermen.

Die erhaltenen Isothermen zeigen Bereiche, in denen die Steigung der Kurve stark zunimmt. Diese weisen auf Übergänge zwischen zwei Phasen in der Monolage hin. Zu Beginn des Kompressionsvorgangs sind die Intermolekularen Abstände groß und Wechselwirkungen können vernachlässigt werden. Der Oberflächedruck ist nahezu Null und die Monolage liegt in einer zweidimensionalen gasähnlichen Phase vor. Mit Verringerung der Fläche pro Molekül verstärken sich die Wechselwirkungen und es erfolgt der Übergang zur flüssigkeitsähnlichen Phase [liquid expanded (LE) und liquid condensed (LC)] und bei weiterer Abnahme der Fläche zur festen Phase (S). Weiteres Komprimieren füht zur Zerstörung der Monolage (collapse).
Aus der Steigung der Isotherme ist die Kompressibilität (K_s) berechenbar.

Hier ist A die Fläche pro Molekül und π der Oberflächendruck.
Je höher der Wert der Kompressibilität, um so geringer ist die Grenzflächenelastizität der Monolage. Große Werte für K_s liegen im Allgemeinen im Fall von erhöhtem Oberflächendruck vor. Die Kompressibilität erlaubt eine Charakterisierung des physikalischen Zustands der Monolage. K_s nimmt im LE-Zustand Werte zwischen 12.5 und 50 mN m^-1 und im LC-Zustand ca. zwischen 100 und 250 mN m^-1. Der Übergang zur festen Phase (S) hat dann eine weitere Zunahme auf bis zu 2000 mN m^-1 zur Folge.

Oftmals werden Phasenübergänge und auch die Bildung von Aggregaten durch intermolekulare Wechselwirkungen hervorgerufen. Um diese zu verringern werden Multikomponenten Gemische in Monolagen untersucht. Monolagen aus großen amphiphilen Molekülen [z.B. Macrocyclen (Porphirine, Azokronenether), Q₁₀ Coenzyme oder Polymere]  bilden sehr oft Aggregate.

In Multikomponenten-Filmen hingegen werden kleinere amphiphile Moleküle wie Säuren, Alkohole, Amine oder Lipide als "Lösungsmittel" genutzt, wodurch die sonst vorliegenden intermolekularen Wechselwirkungen reduziert werden können.
In solchen gemischten Monoschichten können der Oberflächendruck und die Fläche pro Molekül über die Additivität theoretisch berechnet werden. Im Vergleich mit den experimentell erhaltenen Werten ergibt sich zumeist eine Differenz, der sogenannte Exzessdruck (π_ex) ) bzw. die Exzessfläche (A_ex):

A_ex stellt dabei ein Maß für die Mischbarkeit und die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Komponenten der Monolage dar. Der Ursprung der Wechselwirkungen liegt in der chemischen Struktur der Komponenten eben durch das Vorhandensein des hydrophoben "Schwanzes" und der hydrophilen "Kopfgruppe". Zwei unterschiedliche Effekte nehmen Einfluss auf ihre Stärke. Zum einen herrschen anziehende Kräfte zwischen den Kohlenwasserstoffketten, wodurch es zur Bildung von Aggregaten in Form von Micellen und Multischichten kommt. Zum anderen spielt die Art der "Kopfgruppe" eine Rolle. In gemischten Monoschichten können diese gleicher oder unterschiedlicher Art sein (neutral, kationisch oder anionisch). Aus diesen Ladungen der polaren Kopfgruppen resultiert dann Anziehung bzw. Abstoßung dieser untereinander, welche im Vergleich zu den anziehenden Kräften zwischen den Kohlenwasserstoffketten viel stärker und daher zum größten Teil verantwortlich für die Abweichungen vom idealen Verhalten sind. Entsprechen die experimentell erhaltenen Werte den theoretischen (rote Gerade), so liegen keine intermolekularen Wechselwirkungen vor (Abb. 3A). Positive Abweichungen vom idealen Verhalten deuten auf abstoßende Kräfte zwischen den Molekülen in der Monolage hin (Abb. 3B), negative Werte für A_ex hingegen auf anziehende Wechselwirkungen, Kondensation, sowie Änderungen in der Anordnung und dem Hydratisierungsgrad (Abb. 3C).

Die an der Wasseroberfläche geformte Monolage kann mittels  Langmuir–Blodgett- (LB) oder  Langmuir–Schaeffer(LS)-Techniken auf feste Oberflächen übertragen werden.
Hierzu wird an der Wasser-Luft-Grenzfläche zunächst eine Monolage mit dem zum Transfer gewünschtem Oberflächendruck gebildet. Das zum Transfer genutzte Substrat kann sowohl eine hydrophile (z.B. Glas, Glimmer, Metalloxidoberflächen) als auch eine hydrophobe (Quecksilber, Glaskohlenstoff) Oberfläche besitzen. Im Fall der  Langmuir–Blodgett–Technik wird das Substrat durch die Monolage-bedeckte Wasseroberfläche vertikal in den Trog eingetaucht (Abb. 4A) oder herausgezogen (Abb. 4B).

Abhängig von der Art des verwendeten Substrats besitzen die Moleküle auf der festen Oberfläche unterschiedliche Orientierungen. Hydrophile Substrate werden aus dem Wasser herausgezogen, so dass sich die hydrophilen polaren Kopfgruppen zur Substratoberfläche hin orientieren und die Oberfläche, die durch die Monolage bedeckt wird, somit hydrophob ist (Abb. 4A). Hydrophobe Substrate werden aus der Luft durch die Grenzfläche in den Trog eingetaucht. Hier orientieren sich die Kohlenwasserstoffketten zum Substrat hin, während die Kopfgruppen nach außen gerichtet sind. Dadurch erhält die Oberfläche hydrophile Eigenschaften. (Abb. 4B).

Das Transfer-Verhältnis  (TR, transfer ratio) ist ein Maß für die Qualität des Transfers der Monolage auf das Substrat. Sie berechnet sich aus dem Verhältnis der Differenz A_L der Wasseroberfläche vor und nach dem Transfer bei konstant gehaltenem Oberflächendruck bezogen auf die durch die Monolage bedeckten Substratoberfläche A_S:

Für den quantitativen Transfer einer Monolage sollte das Transfer-Verhältnis eins ergeben. Um dies zu erreichen, werden der Oberflächendruck sowie die Transfergeschwindigkeit variiert. Üblicherweise gilt, dass die Geschwindigkeit beim Herausziehen des Substrats größer als beim Eintauchen ist und dass mit steigendem Oberflächendruck auch die optimale Transfergeschwindigkeit zunimmt.

Es ist außerdem möglich den LB-Transfer unter anderen Winkeln als 90° zur Wasseroberfläche durchzuführen. So können einige Moleküle, wie z.B. Zyklame und α,ω-Hydroxyalkanthiol, nur bei Winkeln von 45° bzw. 60° quantitativ übertragen werden.

In einigen Fällen ist ein Transfer nur möglich, wenn das Substrat horizontal an die Grenzfläche herangeführt wird. Diese Art des Transfers wird als  Langmuir–Schaefer-Technik, oder auch als horizontal touch technique bezeichnet (Abb. 5).

Die Art des Transfers der ersten Schicht auf Substrate ist abhängig von der Art der Wechselwirkung zwischen dem jeweiligen Substrat und den Molekülen. Der Transfer weiterer Schichten hingegen hängt nicht mehr von diesen sondern von den Wechselwirkungen zwischen den hydrophoben und hydrophilen Teilen der Moleküle in den jeweiligen Lagen ab. Abb 6. zeigt die möglichen Anordnungen von LB-Multilagen.