Lampu neon jauh lebih kompleks dalam desain daripada bola lampu pijar, dan lebih efisien. Bola lampu pijar menghasilkan sangat sedikit cahaya dibandingkan dengan jumlah panas yang dihasilkannya, membuang banyak energi. Lampu neon membuang energi yang sangat sedikit dan umumnya bertahan hingga enam kali lebih lama daripada lampu pijar. Mereka berbentuk tabung dalam desain, dengan ujung tertutup yang masing-masing memiliki dua pin eksternal. Bagian dalam tabung gelas dilapisi bubuk dengan fosfor, dan setetes kecil merkuri juga ditempatkan di dalam bola lampu, yang diisi dengan gas argon. Elektroda di kedua ujungnya terhubung ke sirkuit listrik.
Pemahaman dasar tentang bagaimana cahaya dihasilkan sangat membantu. Atom memiliki elektron bermuatan negatif yang mengorbit inti pada berbagai jarak. Ketika sebuah atom menyerap energi yang cukup, itu dapat menyebabkan salah satu elektron melompat ke orbit yang lebih tinggi. Saat elektron kehilangan energi, ia jatuh kembali ke orbit sebelumnya. Ketika melakukannya, ia memancarkan foton cahaya. Kunci dalam menghasilkan cahaya adalah pada atom yang cukup menarik untuk menjatuhkan elektron dari orbitnya.
Ketika listrik mengalir melalui elektroda dalam lampu neon, itu menghasilkan muatan yang menyebabkan elektron bebas bergerak melalui tabung berisi gas dari satu elektroda ke elektroda lainnya. Energi ini menguapkan sebagian kecil merkuri di dalam tabung. Elektron dan ion (atom bermuatan) bertabrakan dengan atom merkuri gas, yang pada gilirannya melepaskan foton ultraviolet (UV).
Karena manusia tidak dapat melihat sinar UV, ada satu langkah lagi dalam desain lampu neon yang rumit. Kuncinya ada di lapisan fosfor yang melapisi tabung kaca bagian dalam. Ketika fosfor terkena sinar UV, ia menyerap energi dan memancarkannya kembali sebagai cahaya tampak. Di sinilah lampu neon lebih unggul daripada lampu pijar, karena energi UV yang terbuang karena panas yang hilang dalam bola lampu tradisional diubah menjadi cahaya tampak.
Karena atom umumnya stabil dengan muatan netral dan hanya menjadi bermuatan atau terionisasi ketika mereka mendapatkan atau kehilangan elektron, lampu fluoresen memiliki mekanisme awal yang bervariasi untuk membuat bola menggelinding di dalam tabung. Lampu yang lebih tua menggunakan mekanisme sakelar starter yang terkadang membutuhkan waktu sekitar satu menit untuk mengionisasi gas sepenuhnya. Untuk sementara, lampu akan berkedip. Bola lampu saat ini memiliki pemicu pengion yang terpasang di pemberat, yang merupakan perangkat kecil yang mengontrol arus listrik yang mengalirkan elektroda.
Struktur atom menentukan jenis foton yang dihasilkan, dan oleh karena itu panjang gelombang atau warna cahaya. Meskipun lampu neon jauh lebih efisien daripada lampu pijar dan bertahan lebih lama, orang umumnya lebih suka cahaya dari lampu kuno di rumah, karena lebih dekat dengan panjang gelombang merah. Ini membuatnya tampak “lebih hangat.” Cahaya terang dari lampu neon digeser ke arah spektrum biru yang “lebih dingin”. Bola lampu berita yang dirancang untuk digunakan di rumah sering kali menggunakan campuran fosfor yang memberikan cahaya lebih hangat daripada lampu fluorescent yang lebih tua.