当避雷针演示仪接通静电高压电源后，绝缘支架上的两个金属板带电了。在极板间电压超过1万伏时，由于导体尖端处电荷密度大于金属球处，所以金属尖端附近形成了强电场，在强电场的作用下，空气分子被电离，致使极板和金属尖端之间处于连续的电晕放电状态，即尖端放电现象。而金属球与极板间的电场不能达到火花放电的数值，故金属球不放电。在实际应用中，尖端导体与大地相连接，云层中的电荷通过导体与大地中和，因而避免了人身和物体遭到雷电等静电的伤害。如高层建筑物顶端都安有高于屋顶物体的金属避雷针。
避雷针是一种防直击雷的避雷装置，其最大优点是结构简单，安装方便，成本低廉，便于维护。自富兰克林发明避雷针之后，在近两百多年的时间里，它几乎都没有什么重大的变化。尽管有些别的避雷装置试图取代它，但在该领域内它仍扮演着重要角色，显示出强大的生命力，其基本工作原理可以定性解释如下：随着天空中雷云的形成，大气电场强度升高至10kV/m。在这样强的电场作用下，一些地面物体，如建筑物、大树、山顶，便产生了电晕现象。雷云中逐渐接近地面的向下先导的形成，便是闪电的开始。由于向下先导趋向地面，于是使地面物体中的电晕放电所引起的电离加剧，从而在某些建筑物或地面物体中便产生一个向上先导。随着该向上先导往云层的传授，便形成了一个充分的电场，该电场足以改变云层发出的向下先导的走向，使向下先导迎着该向上先导发展。当向上先导与向下先导汇聚时，便产生了闪电。闪电过后，雷电流流入大地。
装设在比其他物体高得多的避雷针，正是利用自身产生的向上先导来改变雷云的向下先导的走向，将落雷点吸引到自己身上来，以保护比它矮的物体不易遭受雷击。
避雷针是防止雷击的最常用基本方法。避雷针防雷法是依靠比被保护物高出许多的垂直避雷针，将雷击引向自身人地，使被保护物免受雷击，而得到保护，但无法获得一个十分肯定的安全区。装了避雷针后，还有绕击、反击和感应过电压的情况。当避雷针受到雷击时，如果接地电阻值过高或者避雷针离开被保护物的距离小于安全距离，会造成避雷针或引下线上的高电压对被保护物的反击；避雷针对被保护物的空间距离必须大于5米，对被保护物的接地装置间的地中距离必须大于3米。但在实际现场应用中，很难做到。另一方面，当装有避雷针的接地网腐蚀严重，其电阻超过规定的46的要求，导致反击反生。此外，当雷击避雷针时，如果有人站在附近，而接触针茎或引下线，会受到很高的接触电压，以及沿地面半径形成的跨步电压，都会对人畜造成危害。