Потеря вакуумным промежутком свойств электрического изолятора при приложении к нему электрического поля, напряжение кототрого превышает определенную величину (напряжение вакуумного пробоя). При вакуумном пробое электропроводность резко возрастает и среда в промежутке становится проводящей.

Развитие вакуумного пробоя начинается с появления так называемых темновых, или предпробойных, токов, которые вызываются в основном автоэлектронной эмиссией с микроострий поверхности катода. Эти токи возникают также с участков поверхности, имеющих наиболее низкую работу выхода. В том случае, когда металлические электроды недостаточно хорошо очищены от поверхностных загрязнений, на стабильный темновой ток накладываются самогасящиеся маломощные импульсы тока, называемые микроразрядами. Возникновение микроразрядов связано с механизмом обмена положительными и отрицательными ионами между поверхностями анода и катода в вакууме.

Вакуумный пробой происходит в результате формирования сильноточного искрового разряда в десорбирующемся с поверхностей электродов газе и частично в парах металлов электродов. Далее разряд может перейти в вакуумную дугу в парах металлов электродов.

Вакуумный пробой представляет собой сложное явление, достаточно полного и точного объяснения его возникновения и развития еще нет, но существуют гипотезы и теории. Например, согласно электронно-лучевой теории, электроны, возникающие в вакууме за счет автоэлектронной эмиссии с микроострий на катоде, ускоряются в электрическом поле промежутка, образуют "лучи" и бомбардируют анод. При этом происходит местное увеличение температуры анода, сопровождающееся выделением сорбированных газов и паров металла, которые ионизуются электронами. Ионы движутся к катоду, что приводит к образованию положительного пространственного заряда и усилению поля у катода, это в свою очередь увеличивает автоэлектронную эмиссию и т. д. Одновременно возникают сильная ионно-электронная эмиссия и катодное распыление. В итоге в промежутке за счет быстрого увеличения концентрации десорбирующихся газов и паров металлов электродов возникает самостоятельный электрический разряд в форме вакуумной искры или дуги.

Существует также теория вакуумного пробоя за счет нагрева острия автоэмиттера протекающим по нему током. При плотности тока около 10⁸ А/см² эмиттер взрывается и вакуумная дуга возникает в парах металла катода. Поскольку образование микроскопических острий на массивных катодах обнаруживается на опыте, то формирование вакуумного пробоя из-за нагрева и взрыва этих острий весьма вероятно. Инициатором вакуумного пробоя могут быть также отдельные быстрые микрочастицы.

Явление вакуумного пробоя широко используется в приборах и установках. Высокая электрическая прочность вакуума и вакуумная дуга используются в вакуумных выключателях. Начальная стадия вакуумного пробоя длительностью до 10^-7 с, в которой развиваются сильные токи электронов при высоком напряжении на промежутке, используется в мощных источниках рентгеновсого излучения и сильноточных ускорителях. В многочисленных высоковольтных приборах и установках, где вакуумные промежутки применяются только для ускорения потоков электронов и ионов, очень важно, чтобы случайные вакуумные пробои не нарушали работу этих устройств, отсюда необходимо обеспечение их электрической прочности. Увеличение электрической прочности вакуумных промежутков достигается соответствующим выбором материалов электродов, их тщательной механической обработкой (устранением неровностей и острий), а также очисткой поверхностей электродов, которая достигается нагревом в вакууме, обработкой потоками электронов или ионов инертных газов. Электрическая прочность вакуумного промежутка с необработанными электродами составляет около 10⁴ В/см, в то время как промежутки с электродами, прошедшими тщательную механическую, а также электронную и ионную обработки, показывают электрическую прочность, доходящую до 10⁶ В/см.