Preden so jih nadomestili tranzistorji in integrirana vezja, so bile vakuumske cevi (termionski ventili) pretežno uporabljene v elektronskih napravah, kot so televizije, radii in računalniki. Še danes se uporabljajo v nekaj specializiranih napravah.
Izum vakuumskih cevi sega v opazovanje tako imenovanega Edisonovega učinka, opazovanje Thomasa Edisona. Edison je ugotovil, da tok teče med žarilno nitko z žarilno nitko in ploščo v vakuumu, ko je plošča povezana s pozitivnim koncem žarilne nitke.
Ker so prvi računalniki namesto današnjih majhnih računalniških čipov delovali na vakuumskih ceveh, je moral en sam računalnik vsebovati na tisoče vakuumskih cevi in je lahko zapolnil celo sobo. Zgodnji stereo ojačevalniki so uporabljali tudi vakuumske cevi, še danes pa jih imajo nekateri avdiofili raje, ker proizvajajo manj popačenj. Vakuumske cevi se še vedno uporabljajo v nekaterih ojačevalnikih za električne kitare. Tudi cevi se še vedno uporabljajo v nekaterih vojaških aplikacijah, ker na elektroniko cevi ne vplivajo radijski valovi, ki nastanejo zaradi atomskih eksplozij.
Vakuumske cevi so običajno zaprte v steklenem ohišju, čeprav nekatere cevi namesto tega uporabljajo keramiko ali kovino. V svoji najbolj osnovni zasnovi diode je cev ali ovojnica tesno zaprta, da ustvari vakuum. Elektrode znotraj ovojnice so pritrjene na vodnike, ki štrlijo iz ovojnice in se vtaknejo v vtičnico. Osnovna vakuumska cev vsebuje filamente znotraj ovojnice, podobne tistim pri žarnici. Filamenti se segrejejo in nato sprostijo elektrone, pri čemer nastane negativno nabit elektronski oblak. Elektroni se potegnejo na anodo ali majhno kovinsko ploščo znotraj cevi, ki je pozitivno nabita, med žarilno nitko in ploščo pa se vzpostavi enosmerni tok.
V cevi se včasih nahaja dodatna elektroda v obliki majhne mreže v obliki zaslona, ki se imenuje trioda, ki je učinkovitejša in lahko poveča napetost. Ko se napetost dovaja na mrežo, se lahko tok med žarilno nitko in ploščo spreminja. Poleg diod in triod so sledile nadaljnje inovacije, vključno s tetrodi, heksodi, heptodi in oktodi, zasnovanimi za različne posebne aplikacije in za zmanjšanje popačenja. Nekatere vakuumske cevi združujejo funkcijo dveh ali več diod ali triod v eni enoti.
Ena od glavnih pomanjkljivosti vakuumskih cevi je, da žarilna nitka sčasoma postane nestabilna. Poleg tega, če zrak pušča v cev, bo kisik reagiral z vročo žarilno nitko in jo poškodoval. Lastnosti cevi se bodo s starostjo spreminjale, zato je bilo treba zgodnje cevne televizijske sprejemnike pogosto prilagajati, da so ustvarili dobro sliko.