X射线也称伦琴射线，它是在高速电子流轰击金属靶的过程中产生的一种波长极短的电磁辐射。由于X射线是不带电的粒子流，所以不受电磁场的作用，它沿直线传播，并能穿透普通光线所不能穿过的致密物体。这种具有极短波的电磁辐射具有在荧光屏或照相底片上成像的特性。X射线的发现是19世纪末20世纪初物理学的三大发现（X射线、放射线、电子）之一，这一发现标志着现代物理学的产生。
伦琴1894年11月8日，德国物理学家伦琴将阴极射线管放在一个黑纸袋中，关闭了实验室灯源，他发现当开启放电线圈电源时，一块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出了荧光。伦琴用一本厚书、2～3厘米厚的木板或几厘米厚的硬橡胶插在放电管和荧光屏之间，仍能看到荧光。他又用其他材料进行实验，结果表明它们也是“透明的”，铜、银、金、铂、铝等金属只要不太厚也能让这种射线透过。伦琴意识到这可能是某种特殊的从来没有观察到的射线，它具有极强的穿透力。他经过彻底研究，确认这的确是一种新的射线，伦琴称其为X射线。1895年12月22日，伦琴为他夫人拍下了第一张X射线照片。
由于X射线具有强大的穿透力，能够透过人体显示骨骼，于是人们首先将它应用于骨折的诊断、异物检查等方面。因此X射线迅速被医学界广泛利用，成为透视人体、检查伤病的有效医疗工具。早期医院中的X光诊断装置发出的X射线非常微弱，为了得到清晰的照片，要曝光一个小时以上，而且人体长时间照射X射线也具有一定危险性。1913年美国物理学家克里吉制作出与今天基本相同的X射线管。这是一种经过改进的阴极射线管，大大缩短了曝光时间。X射线透视检查不仅缩短了诊断骨折、异物的时间，还为发现肺病做出了很大的贡献。此后，法国人西卡尔使用了一种能用于检查子宫和椎管的造影剂。葡萄牙人莫尼兹制出了一种为动脉、静脉血管等进行X射线透视的水溶性造影剂，使X射线的应用范围得到扩展。在相当长的一段时期，X射线诊断仪成为医院中最重要的医疗仪器。
X射线在显示骨骼畸形方面是非常有效的，但是它在显示人体软组织器官和血管方面却不怎么出色。因为在大多数情况下，X射线会直接穿过这些组织而不显示痕迹。因此从1905年到1962年，科学家们研发了一整套技术，在进行X射线照射之前，用射线透不过的物质（能阻止X射线穿透的液体）来填充软组织和各种管道。这种使X射线“增强”的技术使器官变得显而易见。1962年，冠状动脉X射线摄影法诞生了，它在心脏病的诊断中被证明是极为有效的。
但X射线被人体组织吸收后，对健康是有害的。一般晶体X射线衍射分析用的软X射线（波长较长、穿透能力较低）比医院透视用的硬X射线（波长较短、穿透能力较强）对人体组织伤害更大。轻的造成局部组织灼伤，如果长时期接触，可能造成白血球下降，毛发脱落，发生严重的射线病。但若采取适当的防护措施，上述危害是可以防止的。最基本的一条是防止身体各部位（特别是头部）受到X射线照射，尤其是受到X射线的直接照射。非必要时，人员应尽量离开X光实验室。室内应保持良好通风，以减少由于高电压和X射线电离作用产生的有害气体对人体的影响。
X射线的发现对自然科学的发展也有着极为重要的意义。许多科学家投身于X射线和阴极射线的研究，从而导致了放射性、电子以及α、β射线的发现，为原子科学的发展奠定了基础。同时，由于科学家探索X射线的本质，发现了X射线的衍射现象，并由此打开了研究晶体结构的大门。在研究X射线的性质时，人们还发现X射线具有标识谱线，其波长有特定值和X射线管阳极元素的原子内层电子的状态有关，由此可以确定原子序数，并了解原子内层电子的分布情况。此外，X射线的性质也为研究波粒二象性提供了重要证据。