Os controladores analógicos trabalham com sinais contínuos no tempo. A variável de processo é medida através de um sensor que converte a grandeza física em geral em um sinal elétrico, pneumático ou mecânico, este sinal é comparado com uma referência de mesma grandeza. A diferença entre os dois sinais é então aplicado a um controlador que nada mais é que um sistema elétrico, peneumático ou mecânico que irá gerar um sinal contínuo a ser aplicado na entrada da planta a ser controlada.
Um controlador analógico pode ser visto também como um filtro analógico. Sua implementação se dá então a partir de uma função de transferência. Assim, por exemplo, este filtro pode ser realizado sob a forma de um circuito eletrônico cuja característica entrada-saída corresponde à função de transferência que o controlador deve apresentar a fim de satisfazer certas especificações de controle