Prieš pakeičiant tranzistoriais ir integriniais grandynais, vakuuminiai vamzdžiai (termioniniai vožtuvai) daugiausia buvo naudojami elektroniniuose įrenginiuose, tokiuose kaip televizoriai, radijo imtuvai ir kompiuteriai. Jie vis dar naudojami keliuose specializuotuose įrenginiuose.
Vakuuminių vamzdžių išradimas datuojamas vadinamojo Edisono efekto stebėjimu, kurį pastebėjo Thomas Edisonas. Edisonas pažymėjo, kad srovė teka tarp kaitinamosios lempos kaitinimo siūlelio ir plokštės vakuume, kai plokštė yra prijungta prie teigiamo kaitinamojo siūlo galo.
Kadangi pirmieji kompiuteriai veikė vakuuminėmis lempomis, o ne šiandieninėmis mažomis kompiuterių lustomis, viename kompiuteryje turėjo būti tūkstančiai vakuuminių vamzdžių ir jis galėjo užpildyti visą kambarį. Ankstyvieji stereo stiprintuvai taip pat naudojo vakuuminius vamzdžius, ir net ir šiandien kai kurie audiofilai renkasi juos, nes jie sukuria mažiau iškraipymų. Kai kuriuose elektrinės gitaros stiprintuvuose vis dar naudojami vakuuminiai vamzdžiai. Be to, vamzdžiai vis dar naudojami kai kuriose karinėse srityse, nes vamzdžių elektronika nėra veikiama radijo bangų, kurias sukelia atominiai sprogimai.
Vakuuminiai vamzdžiai paprastai yra uždengti stikliniame korpuse, nors kai kuriuose vamzdžiuose naudojama keramika arba metalas. Paprasčiausias diodo dizainas vamzdelis arba apvalkalas yra sandariai užsandarintas, kad susidarytų vakuumas. Voke esantys elektrodai pritvirtinami prie laidų, kurie išsikiša iš voko ir įkišami į lizdą. Pagrindiniame vakuuminiame vamzdyje apvalkale yra siūlų, panašių į elektros lemputę. Gijos kaitinamos, o po to išskiria elektronus, sukuriant neigiamo krūvio elektronų debesį. Elektronai traukiami į anodą arba mažą metalinę plokštelę, esančią vamzdyje, kuri yra teigiamai įkrauta, ir tarp kaitinimo siūlelio ir plokštės susidaro vienakryptis srautas.
Vamzdyje kartais yra papildomas elektrodas mažo ekrano tipo tinklelio pavidalu, kuris vėliau vadinamas triodu, kuris yra efektyvesnis ir gali sustiprinti įtampą. Kai į tinklą tiekiama įtampa, srautas tarp kaitinimo siūlelio ir plokštės gali būti įvairus. Be diodų ir triodų, buvo įdiegtos kitos naujovės, įskaitant tetrodus, heksodus, heptodus ir oktodus, skirtus įvairioms specialioms reikmėms ir siekiant sumažinti iškraipymus. Kai kurie vakuuminiai vamzdžiai sujungia dviejų ar daugiau diodų arba triodų funkciją viename bloke.
Vienas iš pagrindinių vakuuminių vamzdžių trūkumų yra tai, kad siūlas laikui bėgant tampa nestabilus. Be to, jei oras pateks į vamzdelį, deguonis sureaguos su karštu siūlu ir jį sugadins. Vamzdžių savybės keisis su amžiumi, todėl ankstyvieji vakuuminiai vamzdiniai televizoriai turėjo būti dažnai reguliuojami, kad būtų gautas geras vaizdas.