La technologie des tubes à vide nécessitait une grande quantité d’électricité. L’ordinateur ENIAC (1946) comptait plus de 17 000 tubes et subissait une panne de tube (qu’il fallait 15 minutes pour localiser) en moyenne tous les deux jours. En fonctionnement, l’ENIAC consommait 150 kilowatts d’électricité, dont 80 kilowatts pour le chauffage des tubes, 45 kilowatts pour les alimentations en courant continu, 20 kilowatts pour les ventilateurs de ventilation et 5 kilowatts pour les équipements auxiliaires des cartes perforées.
Parce que la défaillance de l’un des milliers de tubes d’un ordinateur pouvait entraîner des erreurs, la fiabilité des tubes était d’une grande importance. Des tubes de qualité spéciale ont été construits pour le service des ordinateurs, avec des normes plus élevées de matériaux, d’inspection et de test que les tubes de réception standard.
Un effet du fonctionnement numérique qui apparaissait rarement dans les circuits analogiques était l’empoisonnement cathodique. Les tubes à vide qui fonctionnaient pendant des intervalles prolongés sans courant de plaque développaient une couche de haute résistivité sur les cathodes, réduisant le gain du tube. Des matériaux spécialement sélectionnés étaient nécessaires pour les tubes informatiques afin d’éviter cet effet. Afin d’éviter les contraintes mécaniques associées au réchauffement des tubes à la température de fonctionnement, il était fréquent que la pleine tension de fonctionnement des réchauffeurs de tubes soit appliquée lentement, pendant une minute ou plus, afin d’éviter les fractures des cathodes liées aux contraintes. L’alimentation des éléments chauffants pouvait être laissée en marche pendant le temps de veille de la machine, les alimentations des plaques à haute tension étant coupées. Les tests marginaux étaient intégrés aux sous-systèmes d’un ordinateur à tubes à vide ; en abaissant les tensions des plaques ou des éléments chauffants et en testant leur bon fonctionnement, les composants risquant une défaillance précoce pouvaient être détectés. Pour réguler toutes les tensions d’alimentation et empêcher les surtensions et les creux du réseau électrique d’affecter le fonctionnement de l’ordinateur, l’alimentation était dérivée d’un ensemble moteur-générateur qui améliorait la stabilité et la régulation des tensions d’alimentation.
Deux grands types de circuits logiques étaient utilisés dans la construction des ordinateurs à tube à vide. Le type « asynchrone » ou direct, à couplage continu, n’utilisait que des résistances pour connecter entre les portes logiques et à l’intérieur des portes elles-mêmes. Les niveaux logiques étaient représentés par deux tensions largement séparées. Dans le type de logique « synchrone » ou « à impulsions dynamiques », chaque étage était couplé par des réseaux d’impulsions tels que des transformateurs ou des condensateurs. Une impulsion d' »horloge » était appliquée à chaque élément logique. Les états logiques étaient représentés par la présence ou l’absence d’impulsions pendant chaque intervalle d’horloge. Les conceptions asynchrones pouvaient potentiellement fonctionner plus rapidement, mais nécessitaient davantage de circuits pour se protéger contre les « courses » logiques, car les différents chemins logiques avaient des temps de propagation différents entre l’entrée et la sortie stable. Les systèmes synchrones évitaient ce problème, mais nécessitaient des circuits supplémentaires pour distribuer un signal d’horloge, qui pouvait avoir plusieurs phases pour chaque étage de la machine. Les étages logiques à couplage direct étaient quelque peu sensibles à la dérive des valeurs des composants ou aux petits courants de fuite, mais la nature binaire du fonctionnement donnait aux circuits une marge considérable contre les dysfonctionnements dus à la dérive. Le Whirlwind du MIT est un exemple de calculateur à « impulsions » (syncroniques). Les ordinateurs IAS (ILLIAC et autres) utilisaient des étages logiques asynchrones à couplage direct.
Les ordinateurs à tubes utilisaient principalement des triodes et des pentodes comme éléments de commutation et d’amplification. Au moins un tube à grille spécialement conçu possédait deux grilles de commande aux caractéristiques similaires, ce qui lui permettait de mettre directement en œuvre une porte ET à deux entrées. Les thyratrons étaient parfois utilisés, par exemple pour piloter des dispositifs d’entrée/sortie ou pour simplifier la conception de verrous et de registres de maintien. Souvent, les ordinateurs à tubes à vide faisaient un usage intensif de diodes à semi-conducteurs (« cristal ») pour réaliser les fonctions logiques ET et OU, et n’utilisaient les tubes à vide que pour amplifier les signaux entre les étages ou pour construire des éléments tels que les bascules, les compteurs et les registres. Les diodes à semi-conducteurs réduisaient la taille et la consommation électrique de l’ensemble de la machine.