Die Vakuumröhrentechnologie benötigte sehr viel Strom. Der ENIAC-Computer (1946) hatte mehr als 17.000 Röhren und erlitt im Durchschnitt alle zwei Tage einen Röhrenausfall (dessen Lokalisierung 15 Minuten dauerte). Im Betrieb verbrauchte der ENIAC 150 Kilowatt Strom, wovon 80 Kilowatt für die Heizung der Röhren, 45 Kilowatt für die Gleichstromversorgung, 20 Kilowatt für die Lüftungsgebläse und 5 Kilowatt für die Lochkarten-Hilfsgeräte verwendet wurden.
Da der Ausfall jeder einzelnen der Tausenden von Röhren in einem Computer zu Fehlern führen konnte, war die Zuverlässigkeit der Röhren von großer Bedeutung. Für den Einsatz in Computern wurden spezielle Qualitätsröhren gebaut, die höheren Anforderungen an Material, Inspektion und Prüfung genügten als die Standard-Empfangsröhren.
Eine Auswirkung des digitalen Betriebs, die bei analogen Schaltungen selten auftrat, war die Kathodenvergiftung. Bei Vakuumröhren, die längere Zeit ohne Plattenstrom betrieben wurden, bildete sich auf den Kathoden eine hochohmige Schicht, die die Verstärkung der Röhre verringerte. Um diesen Effekt zu verhindern, wurden für Computerröhren speziell ausgewählte Materialien benötigt. Um mechanische Belastungen zu vermeiden, die mit dem Aufwärmen der Röhren auf Betriebstemperatur verbunden sind, wurde die volle Betriebsspannung der Röhrenheizungen oft langsam, über eine Minute oder länger, angelegt, um spannungsbedingte Brüche der Kathodenheizungen zu verhindern. Die Heizungen konnten während der Bereitschaftszeit der Maschine eingeschaltet bleiben, während die Hochspannungsplattenversorgung abgeschaltet wurde. Durch das Absenken der Platten- oder Heizungsspannungen und das Testen des ordnungsgemäßen Betriebs konnten Komponenten, bei denen die Gefahr eines frühzeitigen Ausfalls bestand, erkannt werden. Um alle Versorgungsspannungen zu regulieren und zu verhindern, dass Überspannungen und Spannungseinbrüche aus dem Stromnetz den Computerbetrieb beeinträchtigen, wurde der Strom von einem Motorgenerator abgeleitet, der die Stabilität und Regulierung der Versorgungsspannungen verbesserte.
Zwei große Arten von Logikschaltungen wurden beim Bau von Vakuumröhrencomputern verwendet. Der „asynchrone“ oder direkt gleichstromgekoppelte Typ verwendete nur Widerstände zur Verbindung zwischen den Logikgattern und innerhalb der Gatter selbst. Die Logikpegel wurden durch zwei weit voneinander entfernte Spannungen dargestellt. Bei der „synchronen“ oder „dynamischen Impuls“-Logik war jede Stufe durch Impulsnetzwerke wie Transformatoren oder Kondensatoren gekoppelt. Jedes logische Element wurde mit einem „Takt“ getaktet. Die logischen Zustände wurden durch das Vorhandensein oder Fehlen von Impulsen während jedes Taktintervalls dargestellt. Asynchrone Entwürfe konnten potenziell schneller arbeiten, erforderten aber mehr Schaltungen zum Schutz vor logischen „Wettläufen“, da die verschiedenen Logikpfade unterschiedliche Laufzeiten vom Eingang bis zum stabilen Ausgang hatten. Synchrone Systeme vermieden dieses Problem, benötigten aber zusätzliche Schaltungen zur Verteilung eines Taktsignals, das für jede Stufe der Maschine mehrere Phasen haben konnte. Direkt gekoppelte Logikstufen reagierten etwas empfindlich auf Abweichungen bei den Bauteilwerten oder kleine Leckströme, aber die binäre Natur des Betriebs gab den Schaltungen einen beträchtlichen Spielraum gegen Fehlfunktionen aufgrund von Abweichungen. Ein Beispiel für einen „Impuls“-Rechner (syncron) war der MIT Whirlwind. Die IAS-Computer (ILLIAC und andere) verwendeten asynchrone, direkt gekoppelte Logikstufen.
Röhrencomputer verwendeten hauptsächlich Trioden und Pentoden als Schalt- und Verstärkungselemente. Mindestens eine speziell konstruierte Ansteuerungsröhre hatte zwei Steuergitter mit ähnlichen Eigenschaften, wodurch sie direkt ein UND-Gatter mit zwei Eingängen realisieren konnte. Gelegentlich wurden Thyratrone verwendet, z. B. zur Ansteuerung von E/A-Geräten oder zur Vereinfachung der Konstruktion von Latches und Halteregistern. In Röhrencomputern wurden häufig Festkörperdioden („Quarzdioden“) eingesetzt, um logische UND- und ODER-Funktionen auszuführen, und Röhren wurden nur zur Verstärkung von Signalen zwischen den Stufen oder zum Aufbau von Elementen wie Flipflops, Zählern und Registern verwendet. Die Festkörperdioden verringerten die Größe und den Stromverbrauch des gesamten Geräts.