クルックス管の中ではわずかな数のイオンと自由電子が光電離や自然放射線の電離作用などによって自然発生している。これらの荷電粒子は高電圧が管内に作る電場によって駆動される。電子がほかの気体分子と衝突すると、分子内の電子が外に叩き出されて陽イオンが残ることがある。この過程が連鎖して多数の陽イオンが発生することをタウンゼント放電という。生じた陽イオンはすべて陰極（カソード）に引き付けられていき、陰極に突入してその表面から大量の電子を叩き出す。この電子が陰極から斥力を受け、陽極（アノード）めがけて飛んでいったものが陰極線である。
歴史.
ここで起きているのは以下のようなことである。管内の空気が排気されるにつれて、陰極から飛び出した電子の運動を妨げる気体分子の数が減っていき、電子が衝突するまでに進む平均距離が長くなる。気体分子は衝突によって光を放出するので、クルックス暗部が管全域を覆い尽くしたとき、電子は陰極から陽極まで衝突することなく直進している。衝突によってエネルギーを失うことがなくなり、またクルックス管は電圧が高いことから、電子は相当な速度にまで加速される。管の端の陽極に差しかかったとき、大多数の電子はその横を飛び過ぎてガラスの内壁にぶつかる。電子そのものは目に見えないが、電子がガラス壁にぶつかるとガラスを構成する原子が励起され、黄緑色の蛍光を放出する。後の研究者はビームスポットを見やすくするためにクルックス管の管底に蛍光塗料を塗った。
その当時、既知の粒子の中で最小のものは原子であり、電子の存在は知られておらず、電流が何によって運ばれているかは謎だった。そんな中、陰極線の性質を探求するために様々な工夫を凝らしたクルックス管が作製された（後の節を参照）。真空中を弾道的に飛ぶ電子は導線を流れる電子よりも研究対象として手ごろであり、その性質は次々と暴かれていった。また、色鮮やかな光を発する放電管は、最新の電気科学の神秘を紹介する公開講座においても人気を博した。蛍光鉱物を材料としたり、蛍光塗料で蝶の絵が描かれるなどの装飾的なクルックス管も作製され、各種の蛍光物質が放つ多彩な色の光で観衆の目を楽しませた。
クルックス管を用いた実験.
マルタ十字.
表面に垂直な方向への放出.
電場による偏向.