Trong cơn dông, phần đáy đám mây tích điện âm rất mạnh, tạo ra một điện trường lớn hướng xuống mặt đất. Những vật càng cao thì càng gần đám mây, khiến điện trường tại đỉnh của chúng tập trung mạnh hơn so với mặt đất bằng phẳng xung quanh. Khi điện trường đủ lớn, không khí tại đỉnh vật cao bị ion hóa và hình thành một luồng dẫn hướng lên gặp tia sét đang lao xuống từ đám mây, tạo thành đường dẫn sét đánh trúng đúng điểm đó. Cột thu lôi được thiết kế để chủ động trở thành điểm cao nhất, hút sét đánh vào nó thay vì đánh vào các phần khác của tòa nhà.

Cột thu lôi hoạt động theo nguyên lý dẫn sét an toàn: đầu kim nhọn bằng kim loại đặt ở vị trí cao nhất giúp tập trung điện trường mạnh nhất tại đó, khiến sét ưu tiên đánh vào đầu kim thay vì mái nhà hay tường. Từ đầu kim, một hệ thống dây dẫn bằng đồng hoặc nhôm sẽ đưa dòng điện cực lớn của tia sét, có thể lên tới hàng chục nghìn ampe, chạy thẳng xuống một hệ thống tiếp địa chôn sâu dưới lòng đất, nơi năng lượng được giải phóng an toàn. Nếu không có hệ thống này, sét đánh trúng nhà cao tầng có thể gây cháy, phá hủy thiết bị điện hoặc nguy hiểm tính mạng người bên trong.

Các tòa nhà cao tầng lớn như tòa tháp Bitexco ở TP.HCM hay các chung cư cao trên 9 tầng theo quy định xây dựng của Việt Nam đều bắt buộc phải lắp hệ thống chống sét gồm kim thu sét, dây dẫn và hệ tiếp địa. Thực tế cho thấy những tòa nhà lắp đặt hệ thống này đúng chuẩn hầu như không ghi nhận thiệt hại do sét đánh trực tiếp, trong khi các công trình cao tầng thiếu hệ thống chống sét từng bị cháy nổ thiết bị hoặc hư hỏng mái nghiêm trọng sau các trận dông lớn.

Nhiều người lo sợ rằng lắp cột thu lôi sẽ khiến ngôi nhà thu hút sét đánh nhiều hơn bình thường, nên né tránh lắp đặt. Thực ra nhà cao tầng vốn dĩ đã có nguy cơ bị sét đánh cao do chiều cao của nó, bất kể có cột thu lôi hay không; cột thu lôi chỉ đón dòng sét đó và dẫn nó đi an toàn xuống đất thay vì để sét đánh ngẫu nhiên vào mái hay tường nhà. Nói cách khác, cột thu lôi không làm tăng nguy cơ bị sét đánh mà làm giảm hậu quả khi sét đánh xảy ra.