Stikliniame vamzdelyje išretinus orą ir prie jo galuose įtvirtintų katodo ir anodo prijungus aukštą įtampą, iš katodo imdavo sklisti nematomi spinduliai, nuo kurių vamzdelio stiklas imdavo švytėti. Dabar jau žinoma, kad tuos spindulius sudaro elektronai, bet tuo metu mokslininkai dar tik spėliojo apie jų prigimtį.
Vieną katodinį vamzdelį Rentgenas apsuko juodu popieriumi. Patalpoje buvo visiškai tamsu. Staiga mokslininkas pastebėjo žalsvą švytėjimą, sklindantį nuo fluorescencinių kristalų. Švietė ir ekranas, padengtas bario junginiu. Ar iš vamzdelio iš tikro sklido kažkokie spinduliai? Rentgenas kyštelėjo ranką tarp vamzdelio ir ekrano – ekrane išryškėjo rankos siluetas. Susijaudinęs mokslininkas išjungė elektros srovę, einančią per vamzdelį, ir kristalai iškart nustojo švytėti. Rentgenas vėl įjungė srovę – kristalai vėl sušvito. Jis suprato, kad iš vamzdelio iš tikro sklinda kažkokie nežinomi spinduliai, kad jis atrado naują reiškinį.
Ligi šiol neaišku, ar tas atradimas atsitiktinis. Pasak vienų istorikų, Rentgenas įvyniojo vamzdelį baigdamas darbą, tačiau užmiršo jį išjungti. Bet labiau tikėtina, kad mokslininkas jau prieš kelias dienas buvo pastebėjęs keistą faktą: fotoplokštelės, padėtos šalia katodinio vamzdelio, sugesdavo. Gali būti, kad Rentgenas sąmoningai ieškojo šio reiškinio priežasties.
Patyręs mokslininkas neskubėjo pasauliui skelbti savo atradimo, nepasigyrė nei kolegoms, nei žmonai. Kitą dieną jis užsidarė laboratorijoje, persinešęs į ją savo lovą ir paprašęs žmoną maistą palikti prie durų. Jis kruopščiai tyrė naujuosius spindulius, kuriuos pats pavadino X, arba nežinomais, spinduliais. Jis bandė, kaip spinduliai veikia jo kūną, nežinodamas, kokie jie gali būti pavojingi.
Po 50 dienų įtempto darbo Rentgenas pagaliau atskleidė savo paslaptį žmonai Bertai: paprašė ją palaikyti savo plaštaką ant fotoplokštelės. Nuotrauką išryškinus, nustebusi Berta išvydo kaulų atvaizdą su vestuviniu žiedu. Netrukus Rentgenas šią nuotrauką pademonstravo Viurcburgo universiteto fizikų ir medikų draugijos nariams.
1896 m. sausio 23 d. Rentgenas paskelbė viešą pranešimą fizikų ir medikų mokslinėje draugijoje Viurcbergo fizikos institute. Visuotinė sensacija kilo tada, kai Bertos plaštakos nuotrauką pirmame puslapyje išspausdino vienas Vienos laikraštis. Prasidėjo vieši bandymai su spinduliais, vadintais Rentgeno vardu. Gyvo žmogaus kaulų nuotraukos sukėlė sąmyšį: vieni gėrėjosi atradimu, kiti jį smerkė, žmogaus tyrimą tokiais spinduliais laikė nepadoriu dalyku, netgi siūlė atradėją nubausti mirtimi. Viena anglų firma netgi ėmė reklamuoti baltinius, apsaugančius nuo šių spindulių.
Pats Rentgenas visai nepaisė šio triukšmo, tik piktinosi, kad jam trukdo dirbti. Jis netgi atsisakė užpatentuoti savo atradimą, kas būtų leidę jam susikrauti turtus. Tai lėmė, kad Rentgeno spinduliai buvo kaipmat pradėti taikyti medicinoje bei padėjo išaiškinti šimtus iki tol nežinomų ligų, suprasti daugelį fiziologinių procesų, vykstančių organizme. Buvo nustatyta, kad Rentgeno spinduliai turi ir gydomąjį veikimą.
Po pusantrų metų po atradimo Rentgenas paskelbė dar du darbus apie atrastųjų spindulių savybes. Jis taip kruopščiai juos ištyrė, jog ir sekantį dešimtmetį nieko iš esmės naujo mokslininkams nepavyko pridurti, o jo konstrukcijos Rentgeno spindulių vamzdelis naudojamas iki šiol.
1901 m., vykdant Alfredo Nobelio valią, imtos teikti jo vardo premijos – ir pirmuoju laureatu fizikos srityje tapo būtent V. K. Rentgenas. Iškilmingoje ceremonijoje jis privalėjo dalyvauti, tačiau sužinojęs, kad įstatai nereikalauja sakyti kalbą ta proga, vienintelis iš laureatų nepasakė kalbos apie savo atradimą. Mat po atradimo jis tapo dar uždaresnis – nepriimdavo ordinų, nesutikdavo dalyvauti iškilmėse. Pirmojo pasaulinio karo metais tenkinosi kortelių daviniu, netgi eidavo su svarstyklėmis į virtuvę tikrinti, ar jam kartais neįdedama daugiau nei kitiems.
1923 m. vasario 10 d. Vilhelmas Konradas Rentgenas mirė Miunchene nuo skrandžio vėžio, sukelto tų pačių jo atrastų spindulių.
