倫琴又讓他的夫人把手放在雷鈉管和膠板中間，結果，夫人手上的每塊骨頭以及手上戴的戒指都照出來了。

這一偶然發現使倫琴感到興奮，他把其他的研究工作擱置下來，專心致志地研究這種射線的性質，對於這種未知的射線，倫琴把它命名為“X射線”。經過幾周的緊張工作，他發現了下列事實：(1)X射線除了能引起氰亞鉑酸鋇發熒光外，還能引起許多其他化學制品發熒光。(2)X射線能穿透許多普通光所不能穿透的物質；特別是能直接穿過肌肉但卻不能透過骨骼。(3)X射線沿直線執行，與帶電粒子不同，X射線不會因磁場的作用而發生偏移。

從那天起，倫琴就住在了實驗室，夜以繼日地進行著研究試驗，終於在1895年12月28日發表了研究報告《一種新的射線——初步報告》，向維爾茨堡物理學醫學協會作了報告，宣佈他發現了X射線，闡述這種射線具有直線傳播、穿透力強、不隨磁場偏轉等性質。

1896年1月5日，關於X射線的重大報道在維也納日報上刊出，立即引起全世界的注意。在美國報道此事4天之後，就有人用X射線發現了患者腳上的子彈。X射線很快就進入了醫學領域。當時英國一位著名外科醫生托馬斯·亨利稱之為“診斷史上的一個最大的里程碑”。

1901年，倫琴由於發現X射線的貢獻，獲得了諾貝爾物理學獎金，是獲得該項獎的頭一個人。

為了永久紀念這位偉大的物理學家，德華人民在柏林市的波茨坦橋上豎立起倫琴的青銅塑像。國際學術界還作出決定，用“倫琴”來命名X或Y射線的照射量單位。

X射線的發現告訴我們，在科學探索的道路上，只有腳踏實地、打好紮實的基本功，才能抓住那稍縱即逝的機遇，最終取得成功。在倫琴發現之前，克魯克斯就曾多次發現在陰極線附近的底片會感光，他只認為是偶然現象，沒有去深思，他總把原因歸結為底片的質量問題。而倫琴思想敏捷、想像豐富、善於捕捉在實驗中發生的每一個現象，並充分意識到自己發現的重要性，抓住不放、反覆深入地進行研究，終於在“偶然性”中做出了偉大的發現。所以科學界把發現X射線歸功於倫琴。所以說，偶然性中包含著必然性，必然性又必然體現於偶然性之中。

後來，人們運用X射線造出X光透視器，可以透視人體的內臟和骨骼，使醫生能正確發現病人的病因，挽救了千千萬萬人的生命。

倫琴X射線的發現，隨即引發了一系列的重大發現。如很快就導致電子的發現和天然放射性現象的發現。以X射線的研究為鑰匙，叩開了人類認識物質微觀世界的大門。X射線的發現，打破了所謂“原子是組成物質的最小微粒”、“物理學已發展到頂”等舊觀念，引起了物理學的徹底革命，導致了現代物理學的誕生。

X射線的最著名的應用還是在醫療(包括口腔)診斷中。其另一種應用是放射性治療，在這種治療當中X射線被用來消滅惡性腫瘤或抑制其生長。X射線在工業上也有很多應用，例如，可以用來測量某些物質的厚度或勘測潛在的缺陷。X射線還應用於許多科研領域，從生物到天文，特別是為科學家提供了大量有關原子和分子結構的資訊。