Katodstrålar är negativt laddade eftersom de består av en ström av elektroner. Elektroner är subatomära partiklar som bär en negativ elektrisk laddning. När en elektrisk ström passerar genom ett vakuumrör, emitteras elektronerna i röret från katoden (den negativa elektroden) och färdas mot anoden (den positiva elektroden). Dessa elektroner utgör katodstrålarna.