Электронно-лучевая обработка основана на использовании энергии электронов, представляющих собой элементарные электрически заряженные частицы, имеющие отрицательный заряд. Число электронов в атоме зависит от типа вещества и равно его атомному номеру в периодической системе Д. И. Менделеева.

Электрон, являясь наименьшей устойчивой заряженной элементарной частицей материи, может быть наиболее простым образом получен в свободном состоянии. В большинстве случаев, подведя соответствующую энергию, можно вызвать выход электронов с поверхности материала. Наиболее часто для получения свободных электронов используют термоэлектронные катоды-металлы, нагреваемые до такой температуры, при которой электроны приобретают скорость, достаточную для того, чтобы покинуть металл и перейти в пространство, окружающее катод. В результате происходит процесс, называемый эмиссией электронов.

Глубина проникновения, зависящая от разгоняющего электроны напряжения и свойств металла составляет несколько десятков и даже сотен микрометров. Глубина проникновения электронов невелика, но учет ее позволяет объяснить некоторые эффекты, связанные с особенностями электронного нагрева, используемого в технологических процессах.

Проникающий в вещество электрон испытывает многократное рассеяние и теряет энергию не сразу, а от многочисленных соударений с ядрами атомов и электронами решетки. В результате этих соударений меняются скорость и направление движения электронов, проникающих в вещество. Электроны рассеивают основную долю энергии в конце пробега. Таким образом, в отличие от других широко применяемых источников нагрева, которые нагревают материал путем теплопередачи через его поверхность, электронный нагрев осуществляется в самом веществе.

Для увеличения плотности энергии в луче после выхода электронов из первого анода электроны фокусируются магнитным полем в специальной магнитной линзе, представляющей собой катушку, питаемую электрическим током. Фокусировка электронов в пучок минимального размера происходит на некотором удалении от магнитной линзы. В этой области обычно и осуществляется электронно-лучевая обработка. Сфокусированные в плотный пучок летящие электроны ударяются с большой скоростью о малую ограниченную площадку на изделии, при этом кинетическая энергия электронов (вследствие торможения в веществе) превращается в теплоту, нагревая металл до очень высокой температуры.