1870年，拉姆塞大学毕业。毕业后，他前往去德国海德堡拜本生为师继续学习。一年以后，本生推荐他到蒂宾根大学继续深造，在那里他获博士学位。1872~1880年间，拉姆塞在格拉斯哥学院任教职，1880年被布里斯托尔学院聘为化学教授，1882年任该学院院长，1888年被选为英国皇家学会会员，1895年获戴维奖章，同年还被选为法国科学院院士，1911年担任英国科学促进协会主席。1882年，英国化学家、剑桥大学化学教授瑞利研究空气的成分，他经过极为精密的定量分析发现，由氨制得的氮，总比由空气制得的氮轻5∕1000，反复研究不得其解。于是，他将这一研究事实刊登在英国《自然界》刊物上，请读者解答，但没能得到满意的答复。
拉姆塞得知瑞利的研究后，征得了瑞利的同意，开始研究大气中氮的成分，他研究的方法是让空气在红热的镁上通过，让镁吸收空气中的氧和氮。经过反复作用，原空气体积的79／80都已被吸收，只余下1／80。起初，拉姆塞认为余下的气体是氮的一种变种，可能是类似臭氧的物质但经过精密的光谱分析发现，余下的气体，除了氮的谱线以外，还有人们不知道的红色和绿色各种谱线。经过分析，光谱学家克鲁克斯发现剩余气体的谱线多达200多条。
1894年5月24日，拉姆塞在给瑞利的信中讨论关于所发现的空气中的新元素在元素周期表中的位置。
瑞利建议在化学元素周期表中列入一类新的化学元素，暂时让氦做这一类元素的代表，后来就称之为零族元素。
征服零族元素
零族元素的预言给科学家提出了寻找新的惰性元素的任务。拉姆塞继续发现了各种惰性气体，在特拉弗斯的帮助下，他得到1升的液态空气。他们小心地把液态空气分步蒸发，等到大部分气体蒸发掉后，遗下的残余部分，氧和氮仍占主要部分。他们用红热的铟和镁吸收残余部分的氧和氮，最后剩下25毫升气体。他们把25毫升气体封入玻璃管中，来观察其光谱，看到了一条黄色明线，比氦线略带绿色，有一条明亮的绿色谱线，这些谱线，绝对不和已知元素的谱线重合。
1898年5月30日，拉姆塞和特拉弗斯把他们新发现的气体命名为氪，意即隐藏的意思。他们当晚测定了这种气体的密度、相对原子质量，同时发现，这种惰性气体应排在溴和铷两元素之间。为此，他们一直工作到深夜。
拉姆塞和特拉弗斯继续用减压法分馏残留空气，收集了从氩气中挥发出的部分。他们发现，这种轻的部分，“具有极壮丽的光谱，带着许多条红线，许多淡绿线，还有几条紫线，黄线非常明显。在高度真空下，依旧显著，而且呈现着磷光”。他们深信这是一种新的气体，特拉弗斯说：“管中发出的深红色强光，已经表明了它的身份。凡看到这种景象的人，永远也不会忘记。过去的努力以及研究过程中经历的一切困难，都不算什么。这种未经前人发现的新气体，是以喜剧般的形式出现的。至于这种气体的实际光谱如何，目前尚无关紧要，因为我们就要看到，世界上没有别的东西能比它发出更强烈的光来。”
拉姆塞13岁的儿子威利，向他的父亲建议说：“这种新气体您打算怎么称呼它，我倒喜欢用nove这个词。”拉姆塞赞成儿子的提议，但他认为不如改用同义的词neon，这样读起来更好听。这样，1898年6月，新发现的气体命名为氖，意思是“新奇”。后来，氖成了霓虹灯的重要材料。
X射线的发现
19世纪末，科学发现高峰迭起，科学家也历经磨难。19世纪到20世纪的科学的标志是什么？说来有趣，竟是一丝亮光，如萤火虫那样在黑夜中一闪，便迎来了一个新纪元。
在公元前3世纪，人们便已经开始掌握了电的知识。后来，富兰克林、伽伐尼、伏特、安培、欧姆、法拉第等许多科学家又进一步研究完善了这一系统。1643年，意大利的托里拆利发现了气压和真空，人们便又把真空和电联系在一起研究。把放电管抽空并充入各种不同的气体，就会显示出各种美丽的颜色。科学家还发现，这时放电管的阴极会发出射线，这种“阴极射线”能使几种荧光盐发光，还能使照相底片变黑。这种实验是极有趣的，许多著名的科学家都在一次又一次地重复观察这种暗室里的神秘闪光。可是发现的幸运往往只能落在一个人头上，这个人就是著名的科学家伦琴。
威廉海姆·康拉德·伦琴出生于德国一个商人家庭，3岁时全家迁往荷兰。小时候他学习成绩一般，喜欢运动，动手能力强，有点淘气。伦琴的父亲经营着一个已祖传四代的纺织品商店。这个家最初并不太富裕，到了伦琴父亲这一辈，买卖一天比一天兴旺，女主人又善于持家，家境逐渐殷实起来，并且成了镇上有名望的人家。
伦琴出生的时候，他的父亲已经40多岁了，他是父母唯一的男孩儿，自然是得到父母的宠爱。父亲亲切地称他为“威廉娃娃”。1865年，伦琴进入瑞士苏黎世联邦工业攻读机械工艺。1869年获得了苏黎世大学理学博士学位，1870年返回德国。
1895年11月8日，伦琴在实验室里专心做实验。他先将一支克鲁克斯放电管用黑纸严严实实地裹起来，把房间弄黑，接通感应圈，使高压放电通过放电管，黑纸并没有漏光，一切正常。他截断电流，正准备继续做实验，可是一转头却发现眼前似乎闪过一丝微绿色荧光，一转眼的工夫，却是一团漆黑了。刚才放电管是用黑纸包着的，荧光屏也没有竖起，怎么会出现荧光呢？他想一定是自己的错觉，于是又重复做放电实验。但神秘的荧光又出现了，随着感应圈的起伏放电，在运动。伦琴非常震惊，他一把抓过桌上的火柴，嚓的一声划亮。原来荧光是从离工作台近1米远的地方立着一个亚铂氰化钡小屏。但是阴极射线绝不能穿过数厘米以上的空气，怎么可能使将近1米外的光屏闪光呢？难道是未发现的新射线吗？想到这里，他兴奋地托起荧光屏，一前一后地挪动位置，可是那一丝绿光总不会逝去。看来这种新射线的穿透能力极强，并且和距离没有关系。那么除了能穿透空气外，它能不能穿透其他物质呢？伦琴抽出一张扑克牌，挡住射线，荧光屏上照样出现亮光。他又换了一本书，荧光屏虽然不像刚才那样亮，但照样发光。他再换一张薄铝片，却没有了亮光——铝竟能截断射线。伦琴兴奋极了，这样不停地更换着遮挡物，他几乎试完了手边的所有东西。他开始思考：现在可以肯定这是一种新射线了，可是它到底有什么用呢？暂时又该叫它什么名字呢？真是个未知数，就先叫它“X射线”。
一连几个星期，伦琴都一头钻进实验室忙着做试验而不回家。后来他回家把自己的发现告诉了妻子。他妻子正在生他的气，责怪他这么长时间不回家，认为他有意编造“发现”骗她。于是伦琴把妻子带到实验室，请她帮忙做个实验。他让妻子把左手放到放电管前面，然后把用纸包好的照相底片放在她的手后面，过了十几分钟，把底片一冲洗，获得了一张手骨的照片——世界上第一张人类活体骨骼的照片。
伦琴夫人在射线前拍摄的这张照片，一直被保存到今天，成为20世纪物理学发展的一个里程碑式的标志：这既标志着昨日的智慧创新成就，也标志着今后人类对物质本原的探索日趋玄奥、永无止境。
可是就在当年，伦琴夫人却想象不到一张照片会使人感到可怕，当她看清丈夫冲洗出来的底片后，她“啊”的一声，吓得倒退几步，眼前的情景就像丈夫已经掌握了一种幻术，他把一只活生生的人的手掌变成了一块骷髅。在她看来，那骷髅仿佛还在颤抖着！
1895年12月28日，伦琴用《一种新的射线——初步报告》这个题目，向维尔茨堡物理学医学协会作了报告，宣布他发现了X射线，阐述这种射线具有直线传播、穿透力强、不随磁场偏转等性质。同时又把报告的副本和几张X射线照片邮寄给他的几位物理学家朋友。
伦琴的发现一经公开，立即引起了世界性的强烈反响。
首先，在科学界立刻形成了一股“X射线热”。几乎欧洲所有的实验室都开始用合吐路夫管来进行试验、拍照；一夜之间就冒出了数以百计的X射线专家，报刊上也塞满了各种X射线的照片，如头骨、手骨、脚骨照片等；“X射线和医学”、“X射线和政治”等文章充斥了所有的报纸。
伦琴也获得了前所未有的荣誉。1896年1月23日，德国皇帝威廉一世召见了伦琴，并授予他皇家伦福奖金。伦琴在领奖时的发言中说道：“我今日的这份荣誉应归功于在天的孔脱教授。当年是他始终鼓励我，即使我错了，他也教我不要泄气……朋友们，研究学问犹如在黑暗中摸索，多么需要温暖、友谊和帮助啊！”
此后，一系列的荣誉和称赞更是接踵而来。维尔茨堡大学授予他医学博士；故乡里乃堡市通知他已授予他“荣誉市民”的称号。国外也寄来了许多奖赏和勋章：英国伦敦皇家学会的拉木费德勋章、美国富兰克林研究所的伊利奥德·克莱松勋章、法国的、意大利的……面对荣誉，伦琴始终保持着谦虚的态度。自公布自己的重大发现之后，他仅亲自做过一次关于“X射线”的讲演。
会议的小礼堂里挤满了人，窗台上、走廊里，凡能下脚的地方都挤满了各界的听众，有贵族、大学教授、高级官员、军官，还有学生和一些设法挤进来的市民。一个高等院校的研究所、一个高深的物理课题，还从来没有吸引过这样众多的听众。当伦琴走进礼堂，立即响起如潮的掌声。屋子里沸沸扬扬，伦琴示意大家静下来，开始演讲：
尊敬的先生们，谢谢大家今天的光临。关于新射线的实验，现在还只在一个初级阶段，但是社会各界对此事都抱极大的兴趣，而且外面又有各种各样的传闻，所以今天我有责任向大家说明一下我的工作情况。
关于放电研究，赫兹、雷纳特、克鲁克斯等科学家都做了许多有益的工作。1879年克鲁克斯先生在做真空放电实验时就发现放电管附近的照相底片变黑；1880年美国两名物理学家也遇到这种情况；1892年我国的物理学家也注意到了放电管附近的荧光，但是大家的注意力都在阴极射线上面，觉得这些怪异是偶然的失误所致。我自己不过是重复了前人的工作，我的成功只不过是比他们稍微细心一点罢了。我抓住了X这个未知数去努力求解，当然，现在我们对它也知道得不多。不过已经确切地知道它能穿过大部分物体，可以用来照特殊的相片。至少这一点对外科医生会有很大帮助。它可以使我们在未开刀前就能观察到人体的内部结构，特别是骨骼结构。为了能使各位更明白这种射线的性质，现在请允许我为今天到会的、著名的解剖学家克利克尔先生当场拍一张他的右手X光照片。
年近八十岁高龄的解剖学家克利克尔激动地说：“我一生不知解剖了多少只手。今天伦琴先生的射线却在我的手，未受一点损伤的情况下，这样清楚地解剖出我的手骨，而且还用照片固定下来，这真是伟大的创造。在我作为维尔茨堡物理学医学学会会员的48年中，这是我参加的最有纪念意义的一次学术活动。为了庆祝这个造福人类的伟大发现，我提议将这个未知的射线定名为伦琴射线。”
由此，X射线又称“伦琴射线”，它是一种波长很短的电磁辐射，其波长为（20～0.06）厘米×（10～8）厘米之间。伦琴射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应，波长越短的X射线能量越大，叫做硬X射线，波长长的X射线能量较低，称为软X射线。当在真空中，高速运动的电子轰击金属靶时，靶就放出X射线，这就是X射线管的结构原理。放出的X射线分为两类：①如果被靶阻挡的电子的能量，不越过一定限度时，只发射连续光谱的辐射。这种辐射叫做轫致辐射。②一种不连续的，它只有几条特殊的线状光谱，这种发射线状光谱的辐射叫做特征辐射。连续光谱的性质和靶材料无关，而特征光谱和靶材料有关，不同的材料有不同的特征光谱，这就是为什么称之为“特征”的原因。
X射线的特征是波长非常短，频率很高。因此X射线必定是由于原子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的。所以X射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的，而光学光谱则是外层的电子跃迁时发射出来的。X射线在电场磁场中不偏转，这说明X射线是不带电的粒子流。
1906年，实验证明X射线是波长很短的一种电磁波，因此能产生干涉、衍射现象。X射线用来帮助人们进行医学诊断和治疗；用于工业上的非破坏性材料的检查；在基础科学和应用科学领域内，被广泛用于晶体结构分析，以及通过X射线光谱和X射线吸收进行化学分析和原子结构的研究。
X射线的发现，开创了人类探索物质世界的新纪元。伦琴因发现X射线而揭开了20世纪物理学革命的序幕，成为20世纪最伟大的物理学家之一，他也因此于1901年荣获全世界首次颁发的诺贝尔物理学奖。