Prije nego što su ih zamijenili tranzistori i integrirani krugovi, vakuumske cijevi (termioni ventili) su se pretežno koristile u elektroničkim uređajima kao što su televizori, radio i računala. I danas se koriste u nekoliko specijaliziranih uređaja.
Izum vakuumskih cijevi datira još od promatranja takozvanog Edisonovog efekta, opažanja Thomasa Edisona. Edison je primijetio da struja teče između žarne niti žarulje sa žarnom niti i ploče unutar vakuuma, kada je ploča spojena na pozitivni kraj žarne niti.
Budući da su prva računala radila na vakuumskim cijevima umjesto današnjih malih računalnih čipova, jedno računalo je moralo sadržavati tisuće vakumskih cijevi i moglo je ispuniti cijelu prostoriju. Rana stereo pojačala također su koristila vakuumske cijevi, a čak i danas neki audiofili ih preferiraju jer proizvode manje izobličenja. Vakumske cijevi se još uvijek koriste u nekim pojačalima za električne gitare. Također, cijevi se još uvijek koriste u nekim vojnim primjenama, jer na elektroniku cijevi ne utječu radio valovi nastali atomskim eksplozijama.
Vakuumske cijevi obično su zatvorene u stakleno kućište, iako neke cijevi umjesto njih koriste keramiku ili metal. U svom najosnovnijem dizajnu diode, cijev, ili omotnica, čvrsto je zapečaćena kako bi se stvorio vakuum. Elektrode unutar omotnice pričvršćene su na vodove, koji strše iz omotnice i spajaju se u utičnicu. Osnovna vakuumska cijev sadrži niti unutar omotača, slične onima od žarulje. Filamenti se zagrijavaju i zatim oslobađaju elektrone, stvarajući negativno nabijeni elektronski oblak. Elektroni se privlače na anodu, ili malu metalnu ploču, unutar cijevi, koja je pozitivno nabijena, a između filamenta i ploče uspostavlja se jednosmjerni tok.
U cijevi se ponekad nalazi dodatna elektroda u obliku male rešetke nalik na zaslon, koja se tada naziva trioda, koja je učinkovitija i sposobna pojačati napon. Kako se napon primjenjuje na mrežu, protok između niti i ploče može se mijenjati. Uz diode i triode, uslijedile su daljnje inovacije, uključujući tetrode, heksode, heptode i oktode, dizajnirane za razne specijalne primjene i minimiziranje izobličenja. Neke vakuumske cijevi kombiniraju funkciju dvije ili više dioda ili trioda u jednoj jedinici.
Jedan od glavnih nedostataka vakuumskih cijevi je taj što filament s vremenom postaje nestabilna. Osim toga, ako zrak procuri u cijev, kisik će reagirati s vrućom niti i oštetiti je. Svojstva cijevi mijenjat će se s godinama, zbog čega su se rani televizori s vakuumskim cijevima morali često prilagođavati kako bi proizveli dobru sliku.