元素空心陰極燈由陰極、陽極和屏蔽層組合而成，陰極大多數位純金屬或合金，對于一些貴金屬，則將其制成薄片襯在支持電極上，陰極在中間為空桶形狀。陽極則為一焊有鉭片或鈦絲的鎢棒，因為鉭片或鈦絲具有吸氣作用，在高溫下可以吸收少量有害氣體，屏蔽層為防止陰陽極的擊穿，在陰陽極間設有屏蔽層。

　　當燈的正負極加以400V電壓時，便開始輝光放電。這時電子離開陰極，在飛向陽極過程中，受到陽極加速，與惰性氣體原子碰撞，并使之電離。帶正電荷的惰性氣體從電場獲得動能，向陰極表面撞擊，只要能克服金屬表面的晶格能，就能將原子由晶格中濺射出來，從而產生陰極物質的共振線。由于燈內壓力很低，壓力變寬小，因而產生的共振線是銳線光源。

　　元素空心陰極燈屬于特殊形式的低壓氣體放電光源，放電集中于陰極空腔內。當在兩極之間施加200V-500V電壓時，便產生輝光放電。在電場作用下，電子在飛向陽極的途中，與載氣原子碰撞并使之電離，放出二次電子，使電子與正離子數目增加，以維持放電。正離子從電場獲得動能。如果正離子的動能足以克服金屬陰極表面的晶格能，當其撞擊在陰極表面時，就可以將原子從晶格中濺射出來，所以普通空心陰極燈具有將原子濺射出來的作用。

　　陰極在受熱過程中中也要導致陰極表面元素的熱蒸發，濺射與蒸發出來的原子進入空腔內，再與電子、原子、離子等發生第二類碰撞而受到激發，發射出相應元素的特征的共振輻射。與此同時，空心陰極燈所發射的譜線中還包含了內充氣、陰極材料和雜質元素等譜線。