Anóda bola umiestnená bokom na skle. Z dôvodov, ktoré si ani sám nevedel vysvetliť, zabalil trubicu do čierneho papiera a potom zapol Ruhmkorffov induktor s vysokým napätím. Prúd elektrónov, koncentrovaný dutým zrkadlom, začal žiariť proti dnu trubice. V tom okamihu zažiarilo neďaleko položené lepenkové tienidlo natreté špeciálnou hmotou akoby samo od seba zelenkastým svetlom. Že to neboli katódové lúče, vedel Röntgen celkom presne, pretože tie nedokázali preniknúť ani len sklenou stenou. Nemohlo to byť ani viditeľne svetlo, nakoľko to by bolo zadržané papierovým tesnením. Röntgen chcel vypátrať pôvod žiarenia a tak začal pohybovať tienidlom smerom k trubici. Svetlo silnelo a na tienidle zbadal kosti svojich prstov, ktorými ho držal. Objavil niečo neuveriteľné a úžasné – lúče, ktoré dokážu preniknúť ľudským telom, niečo, o čom sa neskôr v mnohých vedeckých prácach hovorilo ako o “priesvitnej ruke”. Objavenie lúčov X 8. novembra 1895 vyvolalo búrlivý ohlas na celom svete. Röntgenovi súčasníci spoznali ohromný význam objavu pre ľudstvo, hoci skutočné možnosti, ktoré objav poskytoval vede, nemohli ešte ani tušiť.
Nasledovalo množstvo ďalších pokusov, na základe ktorých sa chcel dozvedieť čo najviac o lúčoch, ktoré objavil. Keďže dlho nevedel o aké lúče vlastne ide, nazval ich lúče X. Tým, že sú to skutočné lúče si bol úplne istý, lebo vrhali tieň. Podobali sa síce na svetelné lúče, no na rozdiel od nich neboli viditeľné. S tým sa dlho nechcel uspokojiť a tak opakoval pokus za pokusom, zakaždým inak s rôznymi materiálmi, ale výsledok bol vždy ten istý.

Všetko čo dovtedy vedel, 28. decembra zhrnul. Tieto nové lúče X boli úplne odlišné od katódových, vznikali však na mieste, kde dopadali na sklenú stenu alebo inú prekážku, napr. kovovú platňu antikatódy.
Keď 23. januára 1896 na schôdzi Nemeckej vedeckej spoločnosti počas prednášky zhotovil röntgenovú snímku ruky profesora anatómie Köllikera, nadšení účastníci navrhli pomenovať lúče X - röntgenovými, a tento jav röntgenovým žiarením. Od tejto pamätnej schôdze nepodarilo sa viac Röntgena prizvať na prednesenie verejnej prednášky. Na veľké pobúrenie buržoáznych snobov neprijal ani šľachtický titul, ktorý mu udelil bavorský dvor spolu s kráľovským vyznamenaním „Za zásluhy bavorskej koruny“.
Päť rokov po Nobelovej smrti sa mali po prvý raz udeliť ceny jeho nadácie a Röntgen bol prvým fyzikom, ktorého kandidatúru navrhla Švédska akadémia.