X射線的發現起源于陰極射線的研究。陰極射線是在研究真空放電現象時發現的，成為19世紀下半葉物理學家普遍感興趣的中心問題。

早在20世紀30年代，法拉第就研究了真空放電現象，發現薄氣體在放電時會產生光。但由于他沒有得到高真空(只有幾千分之幾的大氣壓)，所以沒有更多發現。

1855年，德國波恩大學科學儀器技術人員蓋斯勒制造了一個簡單的水銀泵，并成功地將金屬電極密封在玻璃管中，制造了高真空放電管。

從1858年到1859年，德國數學家和物理學家普魯克用蓋斯勒管進行了真空放電實驗，發現對陰極的放電管壁上有綠色熒光，磁鐵可以移動熒光斑。

10年后，普魯克的學生希托夫發現放電起源于陰極，并通過直線運動。他推斷熒光是由這種射線撞擊玻璃管壁而產生的。

1876年，德國物理學家哥爾德施泰因稱這種射線為陰極射線。

1879年，英國物理學家克魯克斯進一步改進了真空泵，制造了更高真空度的陰極射線管，發現陰極射線可以旋轉小葉輪，從而推斷陰極射線具有動量，是一種帶電粒子流。

1894年，赫茲的學生德國實驗物理學家勒納德在放電管的玻璃墻上打開了一扇薄鋁窗，成功地將陰極射線射出了管道，但他和赫茲認為陰極射線是一種以太波。

德國物理學家倫琴在探索陰極射線時，一個意外地發現轟動了全。他首先用勒納德管重做了勒納德的實驗，證明陰極射線可以使放電管附近的熒光屏產生熒光。1895年11月8日晚，他改用克魯克斯管繼續實驗。他用黑色紙板密封了放電管，只留下一個狹縫。當他檢查是否漏光時，他意外地發現1米外的熒光屏上有閃光。這種現象顯然不能用陰極射線的性質來解釋，因為陰極射線只能穿透幾厘米的空氣。經過幾周的反復實驗，他確信這是一種穿透力強的新型神秘射線，是由陰極射線撞擊玻璃管壁而產生的。因為它的性質還不為人所知，他稱之為X射線。他發現X射線可以穿透1000頁的書，2~3cm厚的木板，15mm厚的鋁板;用X射線拍照可以顯示木箱里的法碼，有絕緣包皮的金屬線。其中，特別引人注目的是倫琴夫人手骨的照片，手骨和手指上的結婚戒指清晰可見，這也就是歷史上第一張X光圖。12月28日，倫琴將他的論文送到維爾茨堡物理醫學會出版。幾天后，這個消息傳播到了世界各地。它在科學史上傳播迅速，反應強烈，這是罕見的。

倫琴的論文在三個月內被印刷了五次。首先，X射線在醫學上的應用受到了廣泛的關注，倫琴夫人的手骨照片成為最轟動的新聞，表明它可以透過皮肉透視骨骼，為醫學診斷提供了強有力的新手段。來自世界各地的醫學家競相研究，在骨科和內科都取得了豐碩的成果。關于X射線的各種研究論文如雨后春筍般涌現，一年內有1000多篇論文，48篇專著等等。然而，當時的肆意宣傳并不符合倫琴的初衷。他認為X射線攝影只是一種手段，他的目的是深入研究X射線的本質。只是，由于當時條件不成熟，研究進展不大，他在1896-1897年內只發表了兩篇論文，然后回到原來的研究課題，把X射線的研究留給別人。

X射線的發現不僅給醫療保健事業帶來了新的希望，也開啟了物理革命的序幕。它打破了當時物理學家的現有格局，展示了物理學和未知領域需要我們不斷探索。