Bóng đèn sợi đốt truyền thống hoạt động bằng cách cho dòng điện chạy qua một sợi dây kim loại mảnh, thường là vonfram, cho tới khi nó nóng đỏ rực và phát sáng, giống hệt nguyên lý của thanh sắt nung trong lò rèn. Cách tạo sáng này đòi hỏi nhiệt độ cực cao, và phần lớn năng lượng điện tiêu tốn (khoảng 90-95%) biến thành nhiệt toả ra chứ không phải ánh sáng. Đèn LED lại phát sáng theo cơ chế hoàn toàn khác: khi dòng điện chạy qua một loại vật liệu bán dẫn đặc biệt, electron di chuyển qua lớp tiếp giáp và giải phóng năng lượng trực tiếp dưới dạng ánh sáng, gần như không cần đun nóng vật liệu tới nhiệt độ cao mới phát sáng được.

Cốt lõi khác biệt là hiệu suất chuyển hoá năng lượng. Đèn sợi đốt phải đạt nhiệt độ dây tóc trên 2000 độ C mới phát ra đủ ánh sáng nhìn thấy được, và ở nhiệt độ đó phần lớn bức xạ phát ra lại là tia hồng ngoại mà mắt người không nhìn thấy, chỉ một phần nhỏ rơi vào dải ánh sáng khả kiến. Đèn LED chuyển đổi trực tiếp năng lượng điện thành photon ánh sáng ngay tại lớp bán dẫn mà không cần qua bước trung gian sinh nhiệt cao như vậy, nên hiệu suất phát sáng trên mỗi watt điện tiêu thụ cao hơn nhiều lần, một bóng LED 9W có thể cho độ sáng tương đương bóng sợi đốt 60W. Ngoài ra, đèn LED cũng bền hơn nhiều vì không có dây tóc dễ đứt do rung động hay lão hoá nhiệt liên tục như đèn sợi đốt.

Đó là lý do khi chuyển từ bóng đèn sợi đốt 60W sang bóng LED cùng độ sáng, hoá đơn tiền điện cho chiếu sáng trong nhà có thể giảm tới 80-85%. Sờ vào bóng đèn sợi đốt đang sáng vài phút sẽ thấy nóng rát tay ngay, trong khi bóng LED cùng độ sáng chỉ hơi ấm, vì phần lớn năng lượng đã chuyển thành ánh sáng thay vì nhiệt lãng phí. Nhiều quốc gia đã ngừng sản xuất đèn sợi đốt thông thường chính vì lý do hiệu suất năng lượng quá thấp này.

Nhiều người nghĩ đèn LED ánh sáng trắng lạnh, chói mắt hơn đèn sợi đốt ấm áp, nhưng thực ra công nghệ LED hiện nay có đủ dải nhiệt độ màu từ ấm vàng tới trắng lạnh, người dùng hoàn toàn chọn được tông ánh sáng ấm giống đèn sợi đốt cũ nếu muốn. Cũng có người tưởng đèn LED giá cao hơn nên không thực sự tiết kiệm, nhưng tính trên tuổi thọ trung bình 15.000-25.000 giờ, gấp nhiều lần đèn sợi đốt, cộng với tiền điện tiết kiệm được, đèn LED vẫn rẻ hơn hẳn về lâu dài.