空心陰極燈的工作原理是：在空心陰極燈的兩電極施加一定的電壓，形成電場。燈內充有的惰性氣體，在常溫下總有少數原子電離為自由電子和正離子，在電場的作用下，它們分別向陽極和陰極加速運動，運動過程中與其他原子碰撞，導致原子電離，放出二次電子，使電子、正離子增加，放電現象得到維持，而且，保持放電的工作電壓比起輝電壓低。陰極內表面在被轟擊的過程中，因受熱使原子熱蒸發逸出，對低熔點易揮發更加明顯。同時，具有較大加速運動的正離子群，轟擊陰極內表明，使其原子被濺射出來。被濺射和熱蒸發出來的陰極內表面的原子進入空心陰極空問內，與放電過程中被加速運動的正離子、二次電子以及氣體原子之間發生非彈性碰撞，從而獲得能量被激發到高能態。當它回到基態時，以輻射特征波長的形式，將得到的能量釋放出來。