Ống tia X có cấu tạo gồm một ống chân không, trong ống có hai điện cực. Cực âm (cathode) là dây điện trở được đốt nóng để phát các electron. Đối diện với cực âm là cực dương (anode), ở cực dương có đối cathode được làm bằng kim loại có nguyên tử lượng lớn và nhiệt độ nóng chảy cao như tungsten.

Hiệu điện thế giữa anode và cathode có thể lên đến hàng trăm kilôvôn. Dưới tác dụng của hiệu điện thế này, chùm electron phát ra từ cathode dược tăng tốc và có động năng rất lớn. Khi đập vào đối cathode, các electron có tốc độ cao này bị giảm tốc đột ngột sẽ làm phát ra các tia X theo mọi hướng. Một phần tia X đi qua cửa sổ của ống tia X ra không gian bên ngoài ống.