X 射線管包含有陽極和陰極兩個電極，分別用于用于接受電子轟擊的靶材和發射電子的燈絲。兩極均被密封在高真空的玻璃或陶瓷外殼內。X 射線管供電部分至少包含有一個使燈絲加熱的低壓電源和一個給兩極施加高電壓的高壓發生器。當鎢絲通過足夠的電流使其產生電子云，且有足夠的電壓（千伏等級）加在陽極和陰極間，使得電子云被拉往陽極。此時電子以高能高速的狀態撞擊鎢靶，高速電子到達靶面，運動突然受到阻止，其動能的一小部分便轉化為輻射能，以 X 射線的形式放出，以這種形式產生的輻射稱為軔致輻射。改變燈絲電流的大小可以改變燈絲的溫度和電子的發射量，從而改變管電流和 X 射線強度的大小。改變 X 光管激發電位或選用不同的靶材可以改變入射 X 射線的能量或在不同能量處的強度。由于受高能電子轟擊，X 射線管工作時溫度很高，需要對陽極靶材進行強制冷卻。雖然 X 射線管產生 X 射線的能量效率十分低下，但是在目前，X 射線管依然是較實用的 X 射線發生器件，已經廣泛應用于 X 射線類儀器。目前醫療用途主要分為診斷用 X 射線管和治療用 X 射線管。

對X射線管的要求是焦點小，強度大,以形成較大的功率密度。因此，在陽極上須供給比較大的功率,但X射線管的效率很低，99%以上的電子束功率成為陽極熱耗，而使焦斑過熱。避免陽極過熱的方法是對陽極或管子采取不同方式的冷卻，以降低焦斑處的溫度，或使靶面傾斜一定角度，以提供較大的散熱面積。后又出現旋轉陽極X射線管，因靶面高速旋轉（達10000轉/分），允許功率密度高、焦點小。現代出現一種在陽極靶面與陰極之間裝有控制柵極的X射線管,在控制柵上施加脈沖調制，以控制X射線的輸出。改變脈沖寬度及重復頻率,即可調整定時重復曝光。