Farnsworth desarrolló un interés temprano por la electrónica. Autodidacta aprendió Física estudiando libros de las teorías de Einstein, y reparando y construyendo dispositivos eléctricos con piezas encontradas. Interesado en un sistema electrónico que uniese características de la radio y el cine, transmitiendo al tiempo imagen y sonido pensó que anteriores sistemas de televisión mecánica no funcionarían lo bastante rápido para captar una imagen nítida. Pensó que en el electrón estaba la solución para transformar la luz en electricidad. Pensó que un haz de electrones desviado magnéticamente para que operase línea por línea, como una cosechadora, podía soportar la imagen, de modo parecido a como trabajan los ojos al leer un libro. Con su profesor de química, Justin Tolman, desarrolló los aspectos teóricos de su idea.
Se inscribió en el servicio de colocaciones de la Universidad de Utah. Allí conoció a George Everson, promotor de fondos profesional. Consiguió que éste y su socio financiaran su invento y le concedieran la mitad de las acciones de la compañía creada por los tres.
Se trasladó a Los Ángeles para llevar a cabo su investigación. Ya casado con Pem Garner, se mudaron a San Francisco junto con su cuñado Cliff para trabajar en su invento. En esta época construyeron la primera cámara de válvula de la televisión electrónica, a la que llamó disector de imagen.
Inventó además, un tubo de rayos catódicos frío utilizando un matraz Erlenmeyer de fondo plano, como válvula de imagen, que denominaron "oscilita de imagen". Tras varios ensayos y errores, el 7 de septiembre de 1927, el sistema transmitió su primera señal, una simple línea recta en movimiento.
En 1928, Farnsworth desarrolló el sistema suficientemente como para hacerlo público. Un año después su sistema de televisión no tenía partes mecánicas en movimiento. Pero el invento no estaba patentado y se guardaba en secreto, y el presidente de la RCA , David Sarnoff, temiendo que la televisión desplazara a la radio, contrató en 1930 a Vladimir Zworykin (ingeniero ruso) que trabajaba en un diseño parecido al de Farnsworth. Se presentó como un colega y visitó su laboratorio durante tres días para espiar su investigación. La RCA seguía utilizando un escáner mecánico, y Sarnoff le dio a Zworykin un generoso presupuesto y un año para desarrollar el dispositivo. Al no conseguirlo, en 1931 Sarnoff propone a Farnsworth, comprar sus patentes, oferta que éste rechazó. Farnsworth se unió a la empresa Philco, trasladando su laboratorio a Filadelfia.
Mientras el invento de Farnsworth iba perfeccionándose, Sarnoff conseguía el monopolio de la industria de la televisión. En 1932 la RCA presentó una televisión electrónica similar a la de Farnsworth, atribuyéndole el invento a Zworykin. Esto los llevó a un proceso judicial que se falló a favor de Farnswotrh. La compañía apeló y perdió, el juicio había durado varios años, y para cuando Sarnoff accedió a pagarle las regalías al verdadero inventor, éste estaba arruinado. Desde 1949 dejó de trabajar en proyectos de televisión, pero investigó sobre energía atómica y electrónica.
