1912年，德國物理學家勞厄發現，X射線通過晶體時，產生強度隨方向而變化的散射效應，其強度變化是由於次生電磁波互相疊加和幹涉造成的，這就是晶體X射線衍射。如果能找到一種波長適當的電磁波，讓它通過晶體發生衍射，就能提供晶體內原子排布的信息，從而測定出晶體結構。1914年，勞厄因這一發現而榮獲諾貝爾物理學獎金。勞厄像X射線波長很短，約為108厘米，晶體中原子間距離也在這個範圍內，晶體恰好可以做為X射線的衍射光柵。X射線射入晶體使晶體中原子的電子發生周期性振動，並向周期空間發出電磁波，即次生X射線，從而引起散射。
散射能力的大小與原子序和方向有關，原子序數大的原子具有較多的電子，散射能力強；在X射線入射的方向上散射能力強。
在晶體結構研究中，勞厄提出了描述晶體X衍射基本條件的勞厄方程；1913年，英國物理學家布喇格提出了比較直觀的X射線衍射方程，即布喇格方程，並因此榮獲1915年度的諾貝爾物理學獎金。這兩上方程的實質是一樣的，都把X射線衍射方向和晶體單元晶胞參數聯係起來，是確定晶體結構的重要依據。
用X射線衍射測定單晶結構的具體方法有幾種，依衍射強度記錄方式不同可分為照相法和衍射儀法。例如，勞厄照相法，是用連續的X射線照射靜止不動的單晶體上，用平板底片拍攝衍射圖，測量底片上衍射圖的黑度獲得衍射強度的數據，來測量晶體的對稱性晶體的定向。韋森堡照相法是在晶體轉動時底片也來回擺動，將原在同一層線的衍射線感光點分開，這種方法可以確定晶體微觀對稱性和晶格參數。現在最為通用的四圓單晶衍射儀，晶體取向和計數器調節都很方便，能準確測定晶體參數，並將衍射點的強度數據依次自動收集，簡化了實驗過程，提高了測試精確度，是當前晶體結構分析的強有力工具。
用X射線衍測定多晶樣品成分和結構的方法即多晶X射線衍射法，也稱粉末法。