電子を発生させる陰極と、電子流を受け止める対陰極を備え、電子を高電圧で加速し、これを対陰極に衝突させてＸ線を出す仕組みになっている。
Ｘ線には、対陰極に電子が衝突するとき電子エネルギーが変換されて発生し、連続スペクトルをもつ連続Ｘ線と、対陰極の原子内にある電子が加速電子によってかき乱されて、対陰極物質から出る固有な線スペクトルまたはその一部で構成される固有Ｘ線とがある。
Ｘ線管は、1895年レントゲンの発見以来使われたイオンＸ線管（ガスＸ線管ともいう）と、1913年にアメリカのゼネラル・エレクトリック社のクーリッジが考案した電子Ｘ線管（クーリッジ管、熱電子Ｘ線管ともいう）とに大別できる。
イオンＸ線管の原理は、放電管を0.1トル（水銀柱0.1ミリメートルの圧力）程度に減圧して放電させると、管内に残った少量のイオンが加速され陰極に衝突し、陰極から高速の電子が放射される。
この電子が対陰極に衝突し、Ｘ線を発生する。
しかし、Ｘ線の波長（硬さ）を一定に保つのに真空度の微妙な調整が必要なうえ、Ｘ線の強度と波長を別々に変えることのできない欠点のため、あまり使われなくなった。
電子Ｘ線管は高真空中のタングステン陰極フィラメントを加熱し、熱電子流をつくり、これを直接対陰極、つまり陽極に衝突させてＸ線を発生させる。