克鲁克斯管原理图
如上图所示，克鲁克斯管是一个密封的、内部抽成真空的玻璃管，里面分别放置阴极和阳极以及一个带旋转合叶的遮挡物，另外在右边的玻璃管内壁上涂上荧光物。将两极接通电源之后，调整电压，就会发生放电现象，并在另一则的荧光物涂层上形成遮挡物的影像。合上合叶，则遮挡物的影像消失。这个仪器发明之后，很多物理学家都很感兴趣，用它来研究阴极射线的各种性质，比如发光情况，施加电场或磁场后射线的偏转情况等。然后也有很多人对这个装置进行了多种改造和变形，使其可以用于多种场合的研究。
伦琴在实验室里手持一种克鲁克斯管的改型希托夫管
伦琴到维尔茨堡大学任教后，也对克鲁克斯管及其各种改型深感兴趣，不断进行研究。到了1895年11月的某一天，伦琴突然有个发现：当房间处于黑暗中的时候，点亮管子，他身后放置的远离管子的荧光物也开始放光。他觉得很奇怪，就把管子用黑纸包上，人眼已经看不到管子的光亮，但只要给它通上电压较高的电流，则那些荧光物仍然会发光！经过反复实验，伦琴最后确定这种真空管里除了阴极射线外，还存在着一种肉眼看不见、但穿透力很强、也能让照相底板感光的光线。因为可能是一种未知的光线，所以他将此命名为“X”射线。
伦琴的夫人安娜（Anna Bertha Röntgen, 1839-1919）
在这段时间里，伦琴因为兴奋，夜以继日的在实验室工作，达到了废寝忘食的程度。老不回家吃饭，伦琴夫人不得不给丈夫送饭到实验室。有一次，伦琴请夫人帮个忙，让她把手伸到实验装置里面，然后照了一张照片，这就是后来闻名于世的第一张显示人手骨骼的X光片。
左边是世界第一张X光片伦琴夫人的手骨，右边是伦琴发表论文时所采用的朋友冯库里克的手骨照片
经过两个月的反复实验验证，伦琴在确认自己的发现准确无误后，他于1896年1月1日将描述该发现的论文提交给维尔茨堡物理医学协会和其他德国同行。在论文中，他描述了这种新射线的产生和若干性质，比如用高电压阴极射线轰击玻璃管壁可以产生X射线、射线不能被磁场所偏转、对照相底板很敏感、射线难以产生折射、未观测到衍射现象等。但他对X射线的本质及产生机制并不清楚。可能已经预感到这项发现的神奇之处，他在提交论文后告诉妻子说：“闹剧恐怕就要开始了”。
