[1]​ Se trata de un tubo de vidrio al vacío, conteniendo dos electrodos (conductores en contacto con el vacío, medio a través del que se cierra un circuito).

Uno es el cátodo (un filamento que se mantiene incandescente, hecho de un material capaz de emitir electrones térmicamente), y el otro es el ánodo (que se mantiene a temperatura ambiente, con un potencial positivo respecto al cátodo).

Los electrodos se conectan a una fuente de diferencia de potencial eléctrico, de forma que los electrones emitidos termoiónicamente por el cátodo se aceleran hacia el ánodo bajo la acción del campo eléctrico formando en la región vacía una corriente electrónica.

El diodo de vacío fue el primer avance hacia las válvulas eléctricas, cuando John Ambrose Fleming descubrió en 1904 que al colocar dentro de una bombilla incandescente un electrodo algo alejado del filamento se establecía una corriente entre el filamento y ese electrodo.

A esas válvulas se las denomina de caldeo directo.