Прилага се за разделенеи на еднородни смеси от течности, кипящи при близки температури и необразуващи азеотропна смес с постоянна температура на кипене. В основата на фракционната дестилация е законът за фазовото равновесие на Конолалов, според който парите на една смес са обогатени на по-ниско врящ компонент. Парите винаги съдържат и двата компонента, но по-летливия елемент бива обогатен. При кондензация на парите се получава течност със същия състав като парите.
В резултат на многократно повтаряне на дестилацията в условията за фазовото равновесие за всяка първа фракция в крайна сметка може да се получи в чисто състояние само нисковрящият компонент на сместа без примеси на високоврящия компонент.
При такава смес температурата на кипене расте непрекъснато без минимум или максимум.
Ако се събират отделно дестилатите, наречени фракции, в началото в средата и в края на дестилацията и се подложат поотделно няколко на същата операция, като се съберат за едно дестилатите с еднакъв интервал на врене, накрая ще се получат в чист вид съединенията, които съставят сместа.
И така хомогенни смеси от напълно разтворими една в друга течности може да се делят чрез фракционна дестилация, ако съответните изразяващи независимостта между температурата на врене и състава на парното налягане и състава нямат екстремум, максимум или минимум.