L'interféromètre de Fizeau est composé d'une source de lumière, d'un collimateur, d'un miroir plan réfléchissant (miroir à contrôler), d'une lame semi-réfléchissante, d'un « calibre » et d'un écran (figure 14). Le « calibre » est un coin de verre dont les faces sont parfaitement planes et dont la face exposée au miroir plan constitue le second miroir plan de l'interféromètre. La lumière réfléchie sur la face en coin est éliminée et ne retourne pas vers l'écran.
La figure 14 (droite) illustre une application de l'interféromètre de Fizeau au contrôle de surfaces planes avec une précision nanométrique, en utilisant la méthode de décalage de phase ( : interférogramme déphasé de )
Compte tenu de sa géométrie, lorsqu'on bascule le miroir 1 d'un angle , les franges d'interférences observées avec le Fizeau sont similaires à celles de la figure 12.
Du fait que l'épaisseur d'air traversée en aller-retour dans le Fizeau peut être réduite à une fine couche d'air en rapprochant au maximum les deux surfaces, cet interféromètre présente un grand avantage pour la métrologie de haute précision par rapport au Michelson et au Mach-Zehnder. En effet, les épaisseurs d'air traversées dans les deux bras de ces deux interféromètres sont considérables et surtout disjointes de sorte que ces interféromètres sont très sensibles à toute perturbation et à la stratification de l'indice de la couche d'air.