La tecnología de tubos de vacío requería una gran cantidad de electricidad. El ordenador ENIAC (1946) tenía más de 17.000 tubos y sufría un fallo de tubo (que tardaba 15 minutos en ser localizado) cada dos días de media. En funcionamiento, el ENIAC consumía 150 kilovatios de energía, de los cuales 80 kilovatios se utilizaban para calentar los tubos, 45 kilovatios para las fuentes de alimentación de corriente continua, 20 kilovatios para los sopladores de ventilación y 5 kilovatios para el equipo auxiliar de tarjetas perforadas.
Debido a que el fallo de cualquiera de los miles de tubos de un ordenador podía provocar errores, la fiabilidad de los tubos era de gran importancia. Se construyeron tubos de calidad especial para el servicio de los ordenadores, con estándares más altos de materiales, inspección y pruebas que los tubos de recepción estándar.
Un efecto del funcionamiento digital que raramente aparecía en los circuitos analógicos era el envenenamiento catódico. Los tubos de vacío que funcionaban durante largos intervalos sin corriente en la placa desarrollaban una capa de alta resistividad en los cátodos, reduciendo la ganancia del tubo. Para evitar este efecto, los tubos de ordenador debían estar fabricados con materiales especialmente seleccionados. Para evitar las tensiones mecánicas asociadas con el calentamiento de los tubos hasta la temperatura de funcionamiento, a menudo se aplicaba toda la tensión de funcionamiento lentamente, durante un minuto o más, para evitar las fracturas relacionadas con la tensión de los calentadores de cátodos. La potencia de los calentadores podía dejarse conectada durante el tiempo de espera de la máquina, con los suministros de placas de alta tensión desconectados. Las pruebas marginales se incorporaban a los subsistemas de un ordenador de tubos de vacío; bajando las tensiones de las placas o de los calentadores y comprobando su correcto funcionamiento, se podían detectar los componentes con riesgo de fallo prematuro. Para regular todas las tensiones de alimentación y evitar que las subidas y bajadas de tensión de la red eléctrica afectaran al funcionamiento del ordenador, la energía se obtenía de un grupo motor-generador que mejoraba la estabilidad y la regulación de las tensiones de alimentación.
En la construcción de los ordenadores de tubo de vacío se utilizaban dos grandes tipos de circuitos lógicos. El tipo «asíncrono» o directo, acoplado a la corriente continua, utilizaba sólo resistencias para conectar entre las puertas lógicas y dentro de las propias puertas. Los niveles lógicos estaban representados por dos tensiones muy separadas. En el tipo de lógica «síncrona» o de «impulsos dinámicos», cada etapa se acoplaba mediante redes de impulsos, como transformadores o condensadores. A cada elemento lógico se le aplicaba un pulso de «reloj». Los estados lógicos se representaban por la presencia o ausencia de pulsos durante cada intervalo de reloj. Los diseños asíncronos podían funcionar potencialmente más rápido, pero requerían más circuitos para protegerse de las «carreras» lógicas, ya que las diferentes rutas lógicas tendrían diferentes tiempos de propagación desde la entrada hasta la salida estable. Los sistemas síncronos evitaban este problema, pero necesitaban circuitos adicionales para distribuir una señal de reloj, que podía tener varias fases para cada etapa de la máquina. Las etapas lógicas de acoplamiento directo eran algo sensibles a la deriva de los valores de los componentes o a las pequeñas corrientes de fuga, pero la naturaleza binaria del funcionamiento daba a los circuitos un margen considerable contra el mal funcionamiento debido a la deriva. Un ejemplo de ordenador «de pulso» (sincrónico) fue el Whirlwind del MIT. Los ordenadores IAS (ILLIAC y otros) utilizaban etapas lógicas asíncronas de acoplamiento directo.
Los ordenadores de tubo utilizaban principalmente triodos y pentodos como elementos de conmutación y amplificación. Al menos un tubo de compuerta especialmente diseñado tenía dos rejillas de control con características similares, lo que le permitía implementar directamente una compuerta AND de dos entradas. Los tiratrones se utilizaban a veces, por ejemplo, para accionar dispositivos de E/S o para simplificar el diseño de los cierres y registros de retención. A menudo, los ordenadores de tubo de vacío hacían un uso extensivo de los diodos de estado sólido («cristal») para realizar las funciones lógicas AND y OR, y sólo utilizaban los tubos de vacío para amplificar las señales entre etapas o para construir elementos como flip-flops, contadores y registros. Los diodos de estado sólido reducían el tamaño y el consumo de energía de toda la máquina.