Promienie katodowe powstają w procesie polegającym na przyłożeniu wysokiego napięcia do elektrod w lampie próżniowej. W szczególności lampa elektronopromieniowa (CRT) rozpoczyna wytwarzanie promieni katodowych od emisji elektronów z nagrzanej katody. Gdy katoda jest podgrzewana, uwalnia elektrony w wyniku emisji termojonowej. Elektrony te są następnie przyspieszane w kierunku anody (lub dodatnio naładowanej elektrody) w lampie próżniowej, gdy między katodą a anodą przyłożone jest wysokie napięcie.
Do wytworzenia promienia katodowego zwykle używa się lampy elektronopromieniowej (CRT). Wewnątrz CRT wytwarza się próżnia, która zapobiega zderzeniu elektronów z cząsteczkami gazu. Źródłem tych elektronów jest katoda, często podgrzewana w celu emisji elektronów. Gdy między katodą a anodą zostanie przyłożone wysokie napięcie, elektrony są przyspieszane w kierunku anody. Powstała wiązka elektronów, zwana promieniami katodowymi, przemieszcza się w linii prostej od katody do anody, chyba że wpływają na nią zewnętrzne pola elektryczne lub magnetyczne.
Lampy elektronopromieniowe (CRT) są produkowane w szeregu precyzyjnych etapów, aby zapewnić wytworzenie dobrze zdefiniowanej wiązki elektronów. Proces rozpoczyna się od montażu szklanej rurki próżniowej zawierającej elektrody, w tym katodę i anodę. Katoda, zwykle pokryta materiałem, który po podgrzaniu emituje elektrony (emisja termojonowa), jest podgrzewana w celu uwolnienia elektronów. Elektrony te są przyspieszane w kierunku anody poprzez przyłożenie wysokiego napięcia do elektrod. Wewnątrz kineskopu próżnia zapewnia swobodny przepływ elektronów bez zderzenia z cząsteczkami gazu, co pozwala na utworzenie skupionej wiązki elektronów, czyli promieni katodowych.
Katody wytwarzają elektrony poprzez zjawisko zwane emisją termionową. Kiedy materiał taki jak wolfram lub inne metale zostaje podgrzany do wystarczająco wysokiej temperatury, elektrony uzyskują wystarczającą ilość energii cieplnej, aby uciec z powierzchni materiału. Ta emisja elektronów z katody zachodzi naturalnie, gdy katoda jest podgrzewana w próżni, jak w lampach elektronopromieniowych (CRT) i innych urządzeniach emitujących elektrony.
W oscyloskopie katodowym (CRO) promienie katodowe są wytwarzane podobnie jak w kineskopach CRT. Katoda CRO po podgrzaniu emituje elektrony, które są przyspieszane w kierunku ekranu fluorescencyjnego za pomocą wysokiego napięcia. Zmieniając napięcie, można kontrolować położenie wiązki, co pozwala na tworzenie wzorów na ekranie.