Til forskjell fra en digital sampler som lager lydene digitalt, spiller Mellotronen av analoge samples. Under hver tangent er det det et magnetisk bånd (tape) som drives av en elektrisk motor via en valse, og når en tangent blir trykket ned, blir båndet trykket mot et avspillingshode (lydhode). Hvert bånd har en varighet på åtte sekunder, og det er dermed ikke mulig å lage toner av lengre varighet enn det. Når tangenten så blir sluppet opp blir båndet dratt tilbake i en kassett av en fjær som er montert i den andre enden.