В лавине Таунсенда помимо вторичных ионов образуется множество возбужденных молекул. В течение нескольких наносекунд многие из этих возбужденных молекул возвращаются в свое основное состояние, испуская ультрафиолетовый фотон. Этот свет может пройти сантиметры сквозь газ, прежде чем будет поглощен либо при фотоэлектрическом взаимодействии с менее плотно связанной оболочкой атома газа, либо на поверхности твердого тела. Если в процессе поглощения освобождается свободный электрон, он начинает дрейфовать в сторону анодной проволоки и может породить собственную лавину. По этому механизму одна лавина может породить другую, распространяясь по всему объему области размножения газов вокруг анодной проволоки. Такое неконтролируемое распространение лавин по всему детектору известно как разряд Гейгера.
В пропорциональном счетчике распространение лавин тормозится добавлением небольшого количества второго газа (например, метана), который поглощает ультрафиолетовые фотоны без образования свободных электронов. В счетчике Гейгера-Мюллера условия таковы, что каждая лавина создает более одной дополнительной лавины, и их число быстро растет со временем. Распространение лавин в конце концов прекращается из-за образования вокруг анодной проволоки облака положительного заряда, состоящего из положительных ионов, которые также образовались во время схода лавин. Ионы движутся в тысячи раз медленнее, чем свободные электроны в том же электрическом поле, и за короткий промежуток времени в несколько микросекунд, необходимый для распространения лавин, их движение минимально. Поскольку большинство лавин группируется вокруг анодной проволоки, этот положительный пространственный заряд уменьшает электрическое поле в критической области умножения ниже силы, необходимой для образования дополнительных лавин, и разряд Гейгера прекращается. В процессе образуется огромное количество пар ионов, и трубка Гейгера-Мюллера вырабатывает импульсы величиной в один вольт. Поскольку импульс настолько велик, электроника, обрабатывающая импульсы, не требует больших усилий, и системы подсчета Гейгера могут быть очень простыми.
Газонаполненные детекторы могут работать в нескольких режимах. При низком приложенном напряжении размножение газа не происходит, и детектор работает как ионная камера. При некотором минимальном напряжении начинают формироваться лавины, что знаменует начало пропорционально-счетной области, и они становятся все более энергичными по мере увеличения напряжения. Наконец, при высоких напряжениях происходит переход в режим работы Гейгера-Мюллера, так как большие лавины неизбежно приводят к их неконтролируемому распространению. Поскольку разряд Гейгера является самоограничивающимся, излучение, создающее в газе только одну пару ионов, приведет к такому же большому выходному импульсу, как и импульс, созданный частицей, вкладывающей большую энергию и создающей много пар ионов. Поэтому амплитуда выходного импульса не несет никакой энергетической информации, и трубки Гейгера полезны только в системах подсчета импульсов. Они выдают импульс практически для каждой заряженной частицы, попадающей в заполняющий газ, и многие трубки Гейгера снабжены тонким входным окном, чтобы пропускать в газ слабопроникающие излучения, например альфа-частицы.
Как и у всех газонаполненных детекторов, эффективность обнаружения гамма-излучения невелика — всего несколько процентов. Почти ни один фотон гамма-излучения не взаимодействует непосредственно в газе. Импульс может быть получен, если гамма-лучи взаимодействуют в твердой стенке трубки, а образовавшийся вторичный электрон попадает в газ, прежде чем потерять всю свою энергию. Поскольку типичные вторичные электроны проходят в твердых телах расстояние не более одного-двух миллиметров, только внутренний слой стенки, расположенный ближе всего к газу, будет способствовать появлению вторичных электронов. Вероятность того, что входящее гамма-излучение взаимодействует в этом тонком слое, мала, что приводит к низкому значению эффективности обнаружения.
Тем не менее, трубки Гейгера являются полезными приборами для проверки наличия альфа-, бета- или гамма-излучения. Несмотря на низкую эффективность обнаружения гамма-излучения, трубка Гейгера реагирует на одиночные фотоны гамма-излучения и, таким образом, может показывать более низкие уровни гамма-излучения, чем ионная камера, работающая в менее чувствительном токовом режиме. Выходные данные портативного прибора Гейгера могут отображаться с помощью измерителя скорости, показывающего среднюю скорость генерации импульсов трубкой, или путем генерации звукового сигнала через громкоговоритель для каждого обнаруженного импульса. Отсюда происходит стереотипный щелчок счетчика Гейгера, который часто ассоциируется с детекторами радиации.
