空心阴极灯结构有两种常见的空心阴极灯的外形。阴极：由发射所需特征谱线的金属或合金制成的空心筒状。阳极：在钨棒上镶钛丝或钽片。其他：硬质玻璃管外壳，内充有几百帕低压惰性气体(氖或氩)，石英光学窗口。
    空心阴极灯当在两电极上施加300～500V电压时，阴极灯开始辉光放电。电子从空心阴极射向阳极，并与周围惰性气体碰撞使之电离。所产生的惰性气体的阳离子获得足够能量，在电场作用下撞击阴极内壁，使阴极表面上的自由原子溅射出来，溅射出的金属原子再与电子、正离子、气体原子碰撞而被激发，当激发态原子返回基态时，辐射出特征频率的锐线光谱。空心阴极灯的管脚极性都是统一的，对辉光色调不正常，灯内出现杂质气体的灯，应进行去气处理（即反接处理）。其方法是将灯的阴极接正、阳极接负，通电20mA，直至辉光颜色正常为止。
     空心阴极灯常采用直流供电与脉冲供电两种方式，脉冲供电可以改善放电特性，同时便于使有用的原子吸收信号与原子化池的直流发射信号区分开，称为光源调制。当采用直流供电时可采用机械调制。在实际工作中，应选择合适的工作电流，使用灯电流过小，放电不稳定；灯电流过大，溅射作用增加，原子蒸气密度增大，谱线变宽，甚至引起自吸，导致测定灵敏度降低，灯寿命缩短。灯电流的设置一般在1～20mA。不同的元素灯根据需要选用合适的灯电流。