Die Bezeichnung Kaltkathodenröhre, Cold Cathode Fluorescent Lamp (CCFL), impliziert, dass die Kathode einer solchen Röhre nicht erhitzt oder beheizt wird, sie bleibt "kalt". Kaltkathodenlampen sind Leuchtstofflampen bei denen die Elektronen durch ein starkes elektrisches Feld, das sich vor der Kathode ausbildet, aus der unbeheizten Kathode emittiert werden.
Die Oberfläche der Kathode ist so beschaffen, dass sie viele Sekundärelektronen erzeugt, die über die an der Anode anliegende Beschleunigungsspannung zur Anode fließen. Die Beschleunigungsspannungen sind wesentlich höher als die von beheizten Kathodenröhren. Die meisten Kaltkathodenröhren sind mit einem ionisierenden Gas gefüllt, das beim Zusammenstoß mit den Elektronen Licht emittiert.
Bei Kaltkathodenröhren, die mit Wechselspannung betrieben werden, können die beiden Elektroden abwechselnd Anode und Kathode sein.
Kaltkathodenröhren benutzen die verschiedensten Gase wie Neon oder Krypton für die Lichtemission. Sie werden in der Außenwerbung, in der Beleuchtung und in der Computertechnik eingesetzt. Hier sind es die Cold Cathode Fluorescent Lamps (CCFL), die für die Hintergrundbeleuchtung von LCD-Displays benutzt werden. Bei diesen Röhren handelt es sich um dünne weiß leuchtende Leuchtstofflampen, die flächenmäßig aufgebaut sind und die LCD-Displays von hinten beleuchten. CCFL gibt es auch als punktuelle Lichtquellen, deren Licht für die Hintergrundbeleuchtung über Diffuser gleichmäßig verteilt wird. Das Farbspektrum der CCFL-Lichtquellen hamoniert nicht hinreichend mit den Farbfiltern des LCD-Displays und schränkt daher den Farbraum von LCD-Displays ein.