Đèn neon hoạt động bằng cách đặt điện áp cao vào các điện cực ở mỗi đầu của một ống thủy tinh kín chứa đầy khí neon áp suất thấp. Điều này làm ion hóa đèn neon và khiến nó phát sáng.
Ánh sáng của khí neon được tạo ra bởi sự va chạm liên tục của các nguyên tử, ion và electron. Nguyên tử Neon có 10 electron: Hai điện tử quay quanh mức năng lượng bên trong và tám điện tử quay quanh mức năng lượng bên ngoài. Khi một dòng điện đi qua các nguyên tử neon, tám electron bên ngoài sẽ hấp thụ năng lượng đó và nhảy lên mức năng lượng cao hơn. Ở trạng thái kích thích này, các nguyên tử không ổn định, và các electron sẽ sớm giảm trở lại mức năng lượng ban đầu. Năng lượng bị hấp thụ sau đó được giải phóng dưới dạng các hạt ánh sáng màu gọi là photon.
Dấu hiệu đèn neon là các ống thủy tinh được uốn cong thành các chữ cái hoặc hình dạng, và loại khí kết hợp với màu sắc của thủy tinh sẽ xác định màu sắc của chúng. Các chất khí khác nhau tạo ra màu sắc khác nhau. Neon phát ra ánh sáng đỏ, chùm xenon như mặt trời buổi trưa, heli phát sáng màu vàng, krypton rửa bằng màu trắng, và argon kết hợp với hơi thủy ngân phát ra màu xanh lam. Một chất khí như khí argon phát sáng xanh lam được cho vào một ống màu vàng để tạo ra ánh sáng xanh lục. Khi argon được đặt trong thủy tinh màu xanh lam, ánh sáng xanh lam đậm được tạo ra.
Đèn huỳnh quang tương tự như đèn neon nhưng có thêm một bước. Những đèn này chứa đầy hơi thủy ngân áp suất thấp, phát ra tia cực tím khi bị ion hóa. Kính phủ phosphor chấp nhận các photon cực tím và phát huỳnh quang với ánh sáng nhìn thấy được.
