Đèn huỳnh quang có cấu tạo gồm hai bộ phận chính đó là ống tuýp đèn và hai điện cực ở hai đầu. Cơ chế phát sáng của đèn huỳnh quang khá phức tạp điễn ra bên trong ống thủy tinh hình trụ bịt kín. Ống được hút chân không, bên trong có một chút thủy ngân và được bơm đầy khí trơ, thường là khí argon hay neon. Mặt bên trong ống được tráng một lớp lớp huỳnh quang tức là bột phốt pho. Ống có hai điện cực ở hai đầu, được nối với mạch điện xoay chiều.

Khi ta bật công tắc đèn sẽ xảy ra hiện tượng hồ quang điện tức là sự phóng điện trong khí trơ để kích thích tạo ra ánh sáng. Hiện tượng này như sau: Khi dòng điện đi vào và gây ra một hiệu điện thế lớn giữa các điện cực thì các dây tóc trên các đầu điện cực nóng lên, phát xạ ra các hạt electron di chuyển trong ống với vận tốc cao từ đầu này đến đầu kia. Trên đường vận động, chúng va chạm vào các phân tử khí trơ làm phóng ra nhiều các hạt ion hơn.

Các loại đèn huỳnh quang nhiều màu sắc, kiểu dáng Quá trình này tỏa nhiệt sẽ làm thủy ngân trong ống hóa hơi. Khi các electron và ion di chuyển trong ống, chúng sẽ va chạm vào các nguyên tử khí thủy ngân. Những va chạm này sẽ làm các nguyên tử thủy ngân phát xạ ra các photon ánh sáng cực tím tức là các tia tử ngoại mà mắt thường không thấy được. Do đó, loại ánh sáng này cần phải được chuyển đổi thành ánh sáng nhìn thấy để thắp sáng bóng đèn và đây chính là nhiệm vụ của lớp huỳnh quang trong ống.

Khi những tia cực tím này va chạm vào mặt trong bóng đèn, nó sẽ làm cho các nguyên tử phốt pho giải phóng ra các hạt photon dạng tia hồng ngoại với ánh sáng trắng mắt thường có thể thấy được mà không sinh ra nhiệt lượng lớn. Các nhà sản xuất có thể thay đổi màu sắc của ánh sáng bằng cách sử dụng các hợp chất huỳnh quang khác nhau.

Trong các loại bóng đèn sợi đốt, chúng cũng phát ra một ít tia tử ngoại nhưng không được chuyển đổi sang tia hồng ngoại như cơ chế của đèn huỳnh quang. Đồng thời các đèn sợi đốt cũng tỏa nhiệt nhiều hơn bởi các sợi tóc nóng sáng do đó làm lãng phí năng lượng. Chính vì vậy, một bóng đèn huỳnh quang có hiệu suất phát sáng hiệu quả hơn một bóng đèn sợi đốt thông thường từ 4-6 lần với tuổi thọ khoảng 8.000 giờ.