Sebelum digantikan oleh transistor dan sirkuit terpadu, tabung vakum (katup termionik) banyak digunakan pada perangkat elektronik seperti televisi, radio, dan komputer. Mereka masih digunakan sampai sekarang di beberapa perangkat khusus.
Penemuan tabung vakum berawal dari pengamatan yang disebut Efek Edison, pengamatan yang dilakukan oleh Thomas Edison. Edison mencatat bahwa arus mengalir antara filamen lampu pijar dan pelat di dalam ruang hampa, ketika pelat dihubungkan ke ujung positif filamen.
Karena komputer pertama berjalan pada tabung vakum, bukan chip komputer kecil saat ini, satu komputer harus berisi ribuan tabung vakum, dan dapat mengisi seluruh ruangan. Amplifier stereo awal juga menggunakan tabung vakum, dan bahkan hari ini, beberapa audiophile lebih menyukainya karena menghasilkan distorsi yang lebih sedikit. Tabung vakum masih digunakan di beberapa amplifier gitar listrik. Juga, tabung masih digunakan dalam beberapa aplikasi militer, karena elektronik tabung tidak terpengaruh oleh gelombang radio yang dibuat oleh ledakan atom.
Tabung vakum biasanya tertutup dalam wadah kaca, meskipun beberapa tabung menggunakan keramik atau logam sebagai gantinya. Dalam desain dioda yang paling dasar, tabung, atau amplop, disegel rapat untuk menciptakan ruang hampa. Elektroda di dalam amplop terpasang ke kabel, yang menonjol keluar dari amplop dan dicolokkan ke soket. Sebuah tabung vakum dasar berisi filamen dalam amplop, mirip dengan bola lampu. Filamen dipanaskan dan kemudian melepaskan elektron, menciptakan awan elektron bermuatan negatif. Elektron ditarik ke anoda, atau pelat logam kecil, di dalam tabung, yang bermuatan positif, dan aliran searah terbentuk antara filamen dan pelat.
Elektroda tambahan berupa kisi-kisi kecil seperti layar kadang-kadang terdapat di dalam tabung, yang kemudian disebut triode, yang lebih efisien dan mampu memperkuat tegangan. Saat tegangan diterapkan ke grid, aliran antara filamen dan pelat dapat bervariasi. Selain dioda dan trioda, inovasi lebih lanjut diikuti, termasuk tetrodes, heksoda, heptoda dan octodes, yang dirancang untuk berbagai aplikasi khusus dan untuk meminimalkan distorsi. Beberapa tabung vakum menggabungkan fungsi dua atau lebih dioda atau trioda dalam satu kesatuan.
Salah satu kelemahan utama tabung vakum adalah bahwa filamen menjadi tidak stabil dari waktu ke waktu. Selain itu, jika udara bocor ke dalam tabung, oksigen akan bereaksi dengan filamen panas dan merusaknya. Sifat-sifat tabung akan berubah seiring bertambahnya usia, itulah sebabnya mengapa pesawat televisi tabung vakum awal harus sering disesuaikan untuk menghasilkan gambar yang bagus.