X射線也稱倫琴射線，它是在高速電子流轟擊金屬靶的過程中產生的一種波長極短的電磁輻射。由於X射線是不帶電的粒子流，所以不受電磁場的作用，它沿直線傳播，並能穿透普通光線所不能穿過的致密物體。這種具有極短波的電磁輻射具有在熒光屏或照相底片上成像的特性。X射線的發現是19世紀末20世紀初物理學的三大發現（X射線、放射線、電子）之一，這一發現標誌著現代物理學的產生。
倫琴1894年11月8日，德國物理學家倫琴將陰極射線管放在一個黑紙袋中，關閉了實驗室燈源，他發現當開啟放電線圈電源時，一塊塗有氰亞鉑酸鋇的熒光屏發出了熒光。倫琴用一本厚書、2～3厘米厚的木板或幾厘米厚的硬橡膠插在放電管和熒光屏之間，仍能看到熒光。他又用其他材料進行實驗，結果表明它們也是“透明的”，銅、銀、金、鉑、鋁等金屬隻要不太厚也能讓這種射線透過。倫琴意識到這可能是某種特殊的從來沒有觀察到的射線，它具有極強的穿透力。他經過徹底研究，確認這的確是一種新的射線，倫琴稱其為X射線。1895年12月22日，倫琴為他夫人拍下了第一張X射線照片。
由於X射線具有強大的穿透力，能夠透過人體顯示骨骼，於是人們首先將它應用於骨折的診斷、異物檢查等方麵。因此X射線迅速被醫學界廣泛利用，成為透視人體、檢查傷病的有效醫療工具。早期醫院中的X光診斷裝置發出的X射線非常微弱，為了得到清晰的照片，要曝光一個小時以上，而且人體長時間照射X射線也具有一定危險性。1913年美國物理學家克裏吉製作出與今天基本相同的X射線管。這是一種經過改進的陰極射線管，大大縮短了曝光時間。X射線透視檢查不僅縮短了診斷骨折、異物的時間，還為發現肺病做出了很大的貢獻。此後，法國人西卡爾使用了一種能用於檢查子宮和椎管的造影劑。葡萄牙人莫尼茲製出了一種為動脈、靜脈血管等進行X射線透視的水溶性造影劑，使X射線的應用範圍得到擴展。在相當長的一段時期，X射線診斷儀成為醫院中最重要的醫療儀器。
X射線在顯示骨骼畸形方麵是非常有效的，但是它在顯示人體軟組織器官和血管方麵卻不怎麼出色。因為在大多數情況下，X射線會直接穿過這些組織而不顯示痕跡。因此從1905年到1962年，科學家們研發了一整套技術，在進行X射線照射之前，用射線透不過的物質（能阻止X射線穿透的液體）來填充軟組織和各種管道。這種使X射線“增強”的技術使器官變得顯而易見。1962年，冠狀動脈X射線攝影法誕生了，它在心髒病的診斷中被證明是極為有效的。
但X射線被人體組織吸收後，對健康是有害的。一般晶體X射線衍射分析用的軟X射線（波長較長、穿透能力較低）比醫院透視用的硬X射線（波長較短、穿透能力較強）對人體組織傷害更大。輕的造成局部組織灼傷，如果長時期接觸，可能造成白血球下降，毛發脫落，發生嚴重的射線病。但若采取適當的防護措施，上述危害是可以防止的。最基本的一條是防止身體各部位（特別是頭部）受到X射線照射，尤其是受到X射線的直接照射。非必要時，人員應盡量離開X光實驗室。室內應保持良好通風，以減少由於高電壓和X射線電離作用產生的有害氣體對人體的影響。
X射線的發現對自然科學的發展也有著極為重要的意義。許多科學家投身於X射線和陰極射線的研究，從而導致了放射性、電子以及α、β射線的發現，為原子科學的發展奠定了基礎。同時，由於科學家探索X射線的本質，發現了X射線的衍射現象，並由此打開了研究晶體結構的大門。在研究X射線的性質時，人們還發現X射線具有標識譜線，其波長有特定值和X射線管陽極元素的原子內層電子的狀態有關，由此可以確定原子序數，並了解原子內層電子的分布情況。此外，X射線的性質也為研究波粒二象性提供了重要證據。