X射線的產生主要與原子內部電子的激發和躍遷有關。當原子受到高速電子的撞擊，如果電子束的能量足夠大，它們就會將原子層的電子打出去，這一過程稱爲激發。當層電子被激發後，便在原有的位置上留下一個空穴。外層高能級上的電子必然會填補這個空穴，這一過程稱爲躍遷。躍遷的過程伴隨着能量的釋放，其中一種重要的形式是以光子的形式輻射，這就是X射線的產生。
在X射線管中，電子源通過加熱鎢絲形成，這些電子在燈絲周圍形成空間電荷，也稱電子雲。高速電子流燈絲放出的電子，要高速衝擊陽極，還必須具備兩個條件：一是在X線管的陰極和陽極間加以高電壓，通過在兩極間產生的強電場使電子向陽極加速；二是爲防止電子與空氣分子衝擊而減速和燈絲的氧化損壞，必須保持高真空度。陽極靶面接受高速電子撞擊，使高速電子所帶的一部分動能轉變爲X線能。
總的來說，X射線的產生是由於電子撞擊金屬靶減速而成，同時也有可能將金屬原子的內層電子撞出，於是內層形成空穴，外層電子躍遷回內層填補空穴，同時放出波長在0.1納米左右的光子。