Đèn Williams hoạt động dựa trên hiệu ứng phát xạ thứ cấp xảy ra trong ống tia âm cực (CRT). Khi chùm điện tử chạm vào lớp phosphor tạo điểm sáng của hình hiển thị. Nếu năng lượng chùm electron cao hơn giá trị ngưỡng nhất định, tùy thuộc vào hỗn hợp phosphor, thì nó cũng làm bật các điện tử ra khỏi lớp phosphor. Các electron này di chuyển một quãng đường ngắn trước khi bị hút trở lại bề mặt CRT. Hiệu ứng tổng thể là gây ra một điện tích dương nhẹ ở vùng áp với vị trí tức thời của chùm tia nơi có sự thiếu hụt các điện tử, và một điện tích âm nhẹ xung quanh chấm (dot) nơi các điện tử đó tiếp đất. Kết quả là có điện tích tồn tại trên bề mặt ống trong một phần nhỏ của một giây, khi các electron chạy trở lại vị trí ban đầu của nó. Thời gian tồn tại này phụ thuộc vào điện trở của phốt pho và kích thước của hố.[1]

Điện tích tại vị trí của mỗi dot được đọc bằng một tấm kim loại mỏng ngay phía trước màn hình. Vì màn hình mờ dần theo thời gian nên nó được làm mới định kỳ. Nó quay nhanh hơn bộ nhớ dòng trễ âm thanh trước đó, với tốc độ của các electron bên trong ống chân không, chứ không phải ở tốc độ âm thanh.

Tuy nhiên, hệ thống đã bị ảnh hưởng bất lợi bởi bất kỳ trường điện nào gần đó và cần phải liên tục điều chỉnh để duy trì hoạt động.