元素空心阴极灯由阴极、阳极和屏蔽层组合而成，阴极大多数位纯金属或合金，对于一些贵金属，则将其制成薄片衬在支持电极上，阴极在中间为空桶形状。阳极则为一焊有钽片或钛丝的钨棒，因为钽片或钛丝具有吸气作用，在高温下可以吸收少量有害气体，屏蔽层为防止阴阳极的击穿，在阴阳极间设有屏蔽层。

　　当灯的正负极加以400V电压时，便开始辉光放电。这时电子离开阴极，在飞向阳极过程中，受到阳极加速，与惰性气体原子碰撞，并使之电离。带正电荷的惰性气体从电场获得动能，向阴极表面撞击，只要能克服金属表面的晶格能，就能将原子由晶格中溅射出来，从而产生阴极物质的共振线。由于灯内压力很低，压力变宽小，因而产生的共振线是锐线光源。

　　元素空心阴极灯属于特殊形式的低压气体放电光源，放电集中于阴极空腔内。当在两极之间施加200V-500V电压时，便产生辉光放电。在电场作用下，电子在飞向阳极的途中，与载气原子碰撞并使之电离，放出二次电子，使电子与正离子数目增加，以维持放电。正离子从电场获得动能。如果正离子的动能足以克服金属阴极表面的晶格能，当其撞击在阴极表面时，就可以将原子从晶格中溅射出来，所以普通空心阴极灯具有将原子溅射出来的作用。

　　阴极在受热过程中中也要导致阴极表面元素的热蒸发，溅射与蒸发出来的原子进入空腔内，再与电子、原子、离子等发生第二类碰撞而受到激发，发射出相应元素的特征的共振辐射。与此同时，空心阴极灯所发射的谱线中还包含了内充气、阴极材料和杂质元素等谱线。