Джерелом рентгенівських променів є рентгенівська трубка, в якій є два електроди – катод та анод. При нагріванні катода відбувається електронна емісія, електрони, що вилітають з катода, прискорюються електричним полем і ударяються поверхню анода. Від звичайної радіолампи (діода) рентгенівську трубку відрізняє, в основному, більш висока напруга, що прискорює (більше 1 кВ).

Коли електрон вилітає з катода, електричне поле змушує його летіти до анода, при цьому швидкість його безперервно зростає, електрон несе магнітне поле, напруженість якого зростає зі зростанням швидкості електрона. Досягаючи поверхні анода електрон різко гальмується, у своїй виникає електромагнітний імпульс із довжинами хвиль у певному інтервалі (гальмівне випромінювання). Розподіл інтенсивності випромінювання по довжинах хвиль залежить від матеріалу анода рентгенівської трубки та прикладеної напруги, при цьому з боку коротких хвиль ця крива починається з деякої мінімальної порогової довжини хвилі, що залежить від прикладеної напруги. Сукупність променів з усіма можливими довжинами хвиль утворює безперервний спектр, і довжина хвилі, що відповідає максимальній інтенсивності, в 1,5 рази перевищує мінімальну довжину хвилі.

При збільшенні напруги рентгенівський спектр різко змінюється з допомогою взаємодії атомів з високоенергетичними електронами і квантами первинних рентгенівських променів. Атом містить внутрішні електронні оболонки (енергетичні рівні), кількість яких залежить від атомного номера (позначаються буквами K, L, М тощо). Електрони та первинні рентгенівські промені вибивають електрони з одних енергетичних рівнів на інші. Виникає метастабільний стан і для переходу до стабільного стану необхідний перескок електронів у зворотному напрямку. Цей стрибок супроводжується виділенням кванта енергії та виникненням рентгенівського випромінювання. На відміну від рентгенівських променів з безперервним спектром, це випромінювання має дуже вузький інтервал довжин хвиль і високу інтенсивність (характеристичне випромінюванням) (див. рис.). Кількість атомів, що визначають інтенсивність характеристичного випромінювання, дуже велике, наприклад, для рентгенівської трубки з мідним анодом при напрузі 1 кВ струмі 15 мА за 1 з характеризується випромінювання 1014-1015 атомів. Ця величина обчислюється як відношення загальної потужності рентгенівського випромінювання до енергії кванта рентгенівського випромінювання з К-оболонки (К-серія рентгенівського характеристичного випромінювання). Загальна потужність рентгенівського випромінювання у своїй становить лише 0,1% від споживаної потужності, решта втрачається, переважно, з допомогою переходу в тепло.

Внаслідок високої інтенсивності та вузького інтервалу довжин хвиль характеристичне рентгенівське випромінювання є основним типом випромінювання, що використовується у наукових дослідженнях та при технологічному контролі. Одночасно з променями К-серії генеруються промені L і М-серій, що мають значно більші довжини хвиль, але їх застосування обмежене. K-серія має дві складові з близькими довжинами хвиль a і b, при цьому інтенсивність b-складової в 5 разів менше, ніж a. У свою чергу a-складова характеризується двома дуже близькими довжинами хвиль, інтенсивність однієї з яких у 2 рази більша за іншу. Щоб отримати випромінювання з однією довжиною хвилі (монохроматичне випромінювання), розроблені спеціальні методи, що використовують залежність поглинання та дифракції рентгенівських променів від довжини хвилі. Збільшення атомного номера елемента пов’язане зі зміною характеристик електронних оболонок, причому чим більший атомний номер матеріалу анода рентгенівської трубки, тим менша довжина хвилі серії. Найбільш широко застосовуються трубки з анодами елементів з атомними номерами від 24 до 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) і довжинами хвиль від 2,29 до 0,712 А (0,229 – 0,712 нм).

Крім рентгенівської трубки, джерелами рентгенівського випромінювання можуть бути радіоактивні ізотопи, одні можуть безпосередньо випромінювати рентгенівське випромінювання, інші випромінюють електрони та a-частинки, що генерують рентгенівське випромінювання при бомбардуванні металевих мішеней. Інтенсивність рентгенівського випромінювання радіоактивних джерел зазвичай значно менша, ніж рентгенівської трубки (за винятком радіоактивного кобальту, що використовується в дефектоскопії і дає випромінювання дуже малої довжини хвилі – g-випромінювання), вони малогабаритні і не вимагають електроенергії. Синхротронне рентгенівське випромінювання одержують в прискорювачах електронів, довжина хвилі цього випромінювання значно перевищує одержувану в рентгенівських трубках (м’яке рентгенівське випромінювання), інтенсивність його на кілька порядків вища за інтенсивність випромінювання рентгенівських трубок. Існують і природні джерела рентгенівського випромінювання. Радіоактивні домішки виявлені у багатьох мінералах, зареєстровано рентгенівське випромінювання космічних об’єктів, у тому числі зірок.