X射线的本质和光一样，都是电磁辐射，其波长介于紫外线和γ射线之间，同一切微观粒子一样，X射线也具有波动和微粒的双重性，它们随不同的实验条件而表现出来。反映波动性的物理量为波长和频率，X射线具有反射、折射、偏振等现象；反映微粒性的特征量为能量和冲量等，X射线能引起光电效应、气体电离，使荧光物质产生闪光等作用。但是，X射线的产生过程与其他电磁辐射不相同。
原子壳层在一般情况下，轨道电子总是从低能级开始依次逐渐填满各量子数表征的允许能级，随主量子数的增加，能量随之增加，但实际情况下电子的填充顺序或能级的高低是按下列次序排列的：1s，2s，2p，3s，3p，4s，3d，4p，5s，4d，5p。存在穿透效应，即高能级的电子轨道可能穿插进低能级轨道区，造成能级的交叉。
只有原子的核外电子均处在最低能态——基态时，这个原子才是最稳定的。无论是K层的2个电子或在L层的8个电子，如果失去一个电子，那么这个原子将处于不稳定的状态，必然立即引起核外电子重新配位。即处于高能级的电子迅速(10-8s)向低能级电子空位跃迁，同时将以光子形式放出以跃迁两壳层电子结合能之差为能量的X射线，这个X射线称为特征X射线。每种元素都有特定的壳层电子结合能，而能级之间的差值，也是每种元素所特有的，是这个元素的标识。
所以特征X射线的产生可以分为两个过程：其一，高能粒子(如电子、质子、软γ射线或X射线)与原子发生碰撞并从中驱逐一个内层电子，使其原子核不稳定，壳层上出现一个电子空位。其二，经过10-7～10-16s，较外层电子向内层跃迁，填补内层电子空位，同时放出X射线。第一个过程是吸收入射粒子能量，因而入射粒子能量必须略高于内层电子的结合能；第二个过程是放出能量，其特征X射线能量等于两个能级的能量差。