Tia âm cực được đặt tên như vậy vì chúng được phát ra bởi điện cực âm, hay catốt, trong một ống chân không. Để giải phóng electron vào ống, trước tiên chúng phải được tách ra khỏi các nguyên tử của cực âm. Trong các ống chân không catốt lạnh đầu tiên, được gọi là ống Crookes, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng điện thế cao hàng ngàn volt giữa cực dương và cực âm để ion hóa các nguyên tử khí còn lại trong ống. Các ion dương được gia tốc bởi điện trường về phía cực âm, và khi chúng va chạm với nó, chúng đánh bật các electron ra nếu bề mặt của nó; đây là những tia cực âm. Ống chân không hiện đại sử dụng phát xạ nhiệt, trong đó cực âm được làm bằng dây tóc mỏng được đốt nóng bởi một dòng điện riêng biệt đi qua nó. Chuyển động nhiệt ngẫu nhiên tăng lên của dây tóc đẩy các electron ra khỏi bề mặt dây tóc, vào không gian chân không của ống.

Vì các electron có điện tích âm, chúng bị đẩy lại bởi cực âm và bị hút về cực dương. Họ đi theo đường thẳng qua ống rỗng. Điện áp đặt giữa các điện cực làm tăng tốc các hạt có khối lượng thấp này tăng lên vận tốc cao. Tia âm cực vô hình, nhưng sự hiện diện của chúng lần đầu tiên được phát hiện trong các ống chân không ban đầu khi chúng va vào thành kính của ống, kích thích các nguyên tử của thủy tinh và khiến chúng phát ra ánh sáng, phát sáng gọi là huỳnh quang. Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng các vật thể được đặt trong ống ở phía trước cực âm có thể tạo bóng trên bức tường phát sáng và nhận ra rằng một thứ gì đó phải đi theo đường thẳng từ cực âm. Sau khi các electron đến cực dương, chúng đi qua dây cực dương đến nguồn điện và trở lại cực âm, vì vậy các tia cực âm mang dòng điện qua ống.

Dòng điện trong chùm tia âm cực qua ống chân không có thể được điều khiển bằng cách cho nó đi qua một màn hình kim loại của dây (lưới) giữa cực âm và cực dương, được đặt một điện áp âm nhỏ. Điện trường của dây dẫn làm lệch hướng một số electron, ngăn chúng tiếp cận cực dương. Lượng dòng điện đi qua cực dương phụ thuộc vào điện áp trên lưới. Do đó, một điện áp nhỏ trên lưới có thể được tạo ra để điều khiển điện áp lớn hơn nhiều trên cực dương. Đây là nguyên tắc được sử dụng trong các ống chân không để khuếch đại tín hiệu điện. Các triôt ống chân không phát triển từ năm 1907 đến năm 1914 là các thiết bị điện tử đầu tiên có thể khuếch đại, và vẫn còn được sử dụng trong một số ứng dụng như máy phát vô tuyến điện. Các chùm tia catốt tốc độ cao cũng có thể được điều khiển và điều khiển bằng các điện trường được tạo ra bởi các tấm kim loại bổ sung trong ống được đặt điện áp, hoặc từ trường được tạo ra bởi các cuộn dây (nam châm điện). Chúng được sử dụng trong các ống tia âm cực được tìm thấy trong TV và màn hình máy tính, và trong kính hiển vi điện tử.