X射線晶體學是用于確定晶體的原子和分子結構的技術，其中晶體結構導致入射X射線束衍射到許多特定方向。通過測量這些衍射光束的角度和強度，晶體學家可以產生晶體內電子密度的三維圖像。根據該電子密度，可以確定晶體中原子的平均位置，以及它們的化學鍵，它們的晶體學障礙和各種其他信息。
由于許多材料可以形成晶體 - 例如鹽，金屬，礦物，半導體，以及各種無機，有機和生物分子 - X射線晶體學已經成為許多科學領域發展的基礎。在其使用的較初幾十年中，該方法確定了原子的大小，化學鍵的長度和類型，以及各種材料（尤其是礦物和合金）之間的原子級差異。該方法還揭示了許多生物分子的結構和功能，包括維生素，藥物，蛋白質和核酸如DNA。 X射線晶體學仍然是表征新材料的原子結構和通過其他實驗看起來相似的辨別材料的主要方法。 X射線晶體結構還可以解釋材料的不尋常的電子或彈性特性，闡明化學相互作用和過程，或者作為設計抗疾病藥物的基礎。
在單晶X射線衍射測量中，晶體安裝在測角儀上。測角儀用于將晶體定位在選定的方向。用精細聚焦的單色X射線束照射晶體，產生規則間隔點的衍射圖案，稱為反射。使用傅里葉變換的數學方法將在不同取向下拍攝的二維圖像轉換成晶體內電子密度的三維模型，并結合樣品已知的化學數據。如果晶體太小或內部構造不夠均勻，可能會導致分辨率（模糊）甚至誤差。
X射線晶體學與確定原子結構的幾種其他方法有關。類似的衍射圖案可以通過散射電子或中子產生，其同樣通過傅里葉變換解釋。如果不能獲得足夠大小的單晶，可以應用各種其他X射線方法來獲得不太詳細的信息;這些方法包括纖維衍射，粉末衍射和（如果樣品未結晶）小角度X射線散射（SAXS）。如果所研究的材料僅以納米晶體粉末的形式獲得或者具有差的結晶度，則可以應用電子晶體學方法來確定原子結構。
對于所有上述X射線衍射方法，散射是彈性的;散射的X射線具有與入射X射線相同的波長。相比之下，非彈性X射線散射方法可用于研究樣品的激發，如等離子體激元，晶體場和軌道激發，磁子和聲子，而不是原子的分布。