Tyhjiöreleen toimintaperiaate sisältää virityskoskettimien käyttämisen ohjauspiirissä segmentoidun varaussulun muodostamiseksi katodin ja verkon väliin. Kun riittävä käänteinen bias-jännite kohdistetaan tämän raon yli, se laukaisee koronapurkauksen katodin ja anodin välillä, jolloin tyhjöputki johtaa. Tämä prosessi on analoginen tavanomaisen releen mekanismin kanssa, jossa sähköimpulssi muuttaa kelaan varastoidun energian magneettikenttään.
Tyhjiörelettä käytetään suuren-tarkkuuden, korkean-luotettavuuden, nopean- ja suuren-kapasiteetin elektronisena kytkinlaitteena ensisijaisesti ohjaustarkoituksiin useissa sähköpiireissä. Sen ensisijainen tehtävä on kuljettaa ja ohjata signaaleja pieni-virta, pieni-teho ohjauspiireissä, mikä helpottaa eri toimintojen vaihtamista ja tarjoaa piirien suojauksen. Tyhjiöreleet ovat yhteensopivia sekä AC- että DC-järjestelmien kanssa, ja ne sopivat erityisen hyvin-erityissovelluksiin, kuten taajuusmuuttajakäyttöihin, tehoautomaatiojärjestelmiin, kaasun erotusprosesseihin sekä akun lataus- ja purkutoimintoihin.