Kim loại là một trong những vật liệu dẫn điện tốt nhất trong tự nhiên, và khả năng này đến từ cấu trúc đặc biệt của chúng. Không giống như các vật liệu khác, trong kim loại, các electron ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử không bị ràng buộc chặt chẽ vào một nguyên tử cụ thể. Thay vào đó, chúng tách ra khỏi nguyên tử gốc và di chuyển tự do trong toàn bộ khối kim loại, tạo thành một "biển electron" hay còn gọi là khí electron tự do. Các nguyên tử kim loại sau khi mất electron sẽ trở thành các ion dương, sắp xếp đều đặn tại các nút mạng tinh thể.

Khi không có điện trường bên ngoài, các electron tự do này vẫn chuyển động hỗn loạn không ngừng theo mọi hướng do nhiệt độ. Tuy nhiên, chuyển động này không tạo ra dòng điện vì tổng hợp các chuyển động ngẫu nhiên của chúng bị triệt tiêu lẫn nhau, khiến không có sự dịch chuyển có hướng của điện tích.
Khi đặt một hiệu điện thế vào hai đầu vật dẫn kim loại (ví dụ, nối dây kim loại với pin), một điện trường sẽ được thiết lập bên trong kim loại. Điện trường này tác dụng lực lên các electron tự do, khiến chúng bắt đầu chuyển động có hướng ngược chiều điện trường. Mặc dù các electron vẫn va chạm với các ion dương tại nút mạng và với nhau, nhưng dưới tác dụng của lực điện trường, chúng có một chuyển động định hướng chung. Chính sự chuyển động định hướng của các electron tự do này tạo nên dòng điện trong kim loại. Chiều của dòng điện quy ước là chiều từ cực dương sang cực âm, ngược lại với chiều dịch chuyển của electron.
Điện trở của kim loại chủ yếu là do sự va chạm của các electron tự do với các ion dương dao động tại nút mạng tinh thể. Khi nhiệt độ tăng, các ion dương dao động mạnh hơn, làm tăng khả năng va chạm và cản trở chuyển động của electron, do đó làm tăng điện trở suất của kim loại. Đây là lý do tại sao các dây dẫn thường nóng lên khi có dòng điện chạy qua.