霓虹灯是靠充入玻璃管内的低压惰性气体，在高压电场下冷阴极辉光放电而发光。霓虹灯的光色是由充入惰性气体的光谱特性决定：光管型霓虹灯充入氖气，霓虹灯发红色光；荧光型霓虹灯充入氩气及汞，霓虹灯发蓝色、黄色等光，这两大类霓虹灯都是靠灯管内的工作气体原子受激辐射发光。
霓虹灯是一种低气压冷阴极辉光放电灯。它的结构和部件为正常辉光放电提供保证，其中的工作物质为得到所需要的光色提供可能。
霓虹灯由灯管和高压变压器组成。灯管由玻管、电极室组成。电极室由电极、云母片（或瓷环）和电极引线组成。玻管内充有工作气体，玻管内壁有的涂有荧光粉。高压变压器有漏磁式变压器和电子式变压器两种，它是点燃霓虹灯管必不可少的元件。
玻管的主要作用有填充工作气体、连结两只电极和透射可见光线三个作用。常见的霓虹灯玻管有明管、粉管和彩管三种 [1] 。
电极是用来发射电子和收集电子及正离子的，采用耐正离子轰击、熔点较高，易于发射电子的金属制作。
当外电源电路接通后，变压器输出端就会产生几千伏甚至上万伏的高压。当这一高压加到霓虹灯管两端电极上时，霓虹灯管内的带电粒子在高压电场中被加速并飞向电极，能激发产生大量的电子。这些激发出来的电子，在高电压电场中被加速，并与灯管内的气体原子发生碰撞。