X射線晶體學，是實驗科學確定的原子和分子結構的晶體，其中所述晶體結構導致入射光束的X射線，以DIFFRACT到許多特定的方向。通過測量這些衍射束的角度和強度，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，可以確定原子在晶體中的平均位置，以及它們的化學鍵、晶體無序度和各種其他信息。

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），因此X射線晶體學已成為許多科學領域發展的基礎。在使用的最初幾十年中，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）之間的原子尺度差異。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辨別其他實驗看起來相似的材料的主要方法。X射線晶體結構還可以解釋材料的異常電子或彈性特性，闡明化學相互作用和過程，或用作設計抗疾病藥物的基礎。

在單晶X射線衍射測量中，將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。晶體用精細聚焦的X射線單色光束照射，從而產生規則分布的斑點（稱為反射）的衍射圖樣。使用傅立葉變換的數學方法，結合樣品已知的化學數據，將在不同方向上拍攝的二維圖像轉換為晶體內電子密度的三維模型。如果晶體太小或內部組成不夠均勻，則可能導致分辨率差（模糊性）甚至錯誤。

X射線晶體學與確定原子結構的其他幾種方法有關。電子或中子的散射可以產生類似的衍射圖，傅里葉變換也可以解釋這些衍射圖。如果無法獲得足夠大小的單晶，則可以采用其他各種X射線方法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形式提供或結晶度較差，則采用電子晶體學方法?可用于確定原子結構。

X射線晶體學使人們對化學鍵和非共價相互作用有了更好的了解。最初的研究揭示了原子的典型半徑，并確認了許多化學鍵合的理論模型，例如金剛石結構中碳的四面體鍵合，在六氯鉑酸銨（IV）中觀察到的金屬的八面體鍵合，并在平面碳酸酯基團和芳族分子中觀察到共振。凱瑟琳·朗斯代爾（Kathleen Lonsdale）1928年的六甲基苯結構建立了苯的六邊形對稱性并顯示出脂族C–C鍵和芳族C–C鍵之間鍵長的明顯差異；這一發現導致了化學鍵之間共振的想法，這對化學的發展產生了深遠的影響。她的結論是威廉·亨利·布拉格提出的，他于1921年發表了基于其他分子的萘和蒽的模型，這是分子替代的早期形式。

同樣在1920年代，Victor Moritz Goldschmidt和后來的Linus Pauling制定了消除化學上不太可能的結構并確定原子相對大小的規則。這些規則導致了板鈦礦的結構（1928年）和對二氧化鈦的金紅石，板鈦礦和銳鈦礦形式的相對穩定性的理解。

兩個鍵合原子之間的距離是鍵合強度及其鍵序的敏感度量;?因此，X射線晶體學研究導致發現了無機化學中更奇特的鍵合類型，例如金屬-金屬雙鍵金屬-金屬四鍵和三中心二電子鍵。X射線晶體學（嚴格地說是非彈性康普頓散射實驗）也為氫鍵的部分共價特征提供了證據。在有機金屬化學領域，的透視結構的二茂鐵發起的科學研究夾心化合物，而的蔡斯鹽刺激研究“背面粘合”和金屬-π配合物。最后，X射線晶體學在超分子化學的發展中，尤其是在澄清冠醚的結構和主體-客體化學原理方面具有開拓性作用。

X射線衍射是催化劑開發中非常強大的工具。常規進行異位測量，以檢查材料的晶體結構或闡明新結構。原位實驗對反應條件下催化劑的結構穩定性有全面的了解。

在材料科學中，已經使用單晶方法分析了許多復雜的無機和有機金屬系統，例如富勒烯，金屬卟啉和其他復雜的化合物。由于多晶型物的最新問題，單晶衍射也用于制藥工業。影響單晶結構質量的主要因素是晶體的尺寸和規則性。重結晶是改善小分子晶體中這些因素的常用技術。在劍橋結構數據庫截至2019年6月，包含超過1,000,000個結構;?這些結構中超過99％是通過X射線衍射確定的。

自1920年代以來，X射線衍射一直是確定礦物和金屬中原子排列的主要方法。X射線晶體學在礦物學中的應用始于1924年Menzer確定的石榴石結構。在1920年代對硅酸鹽進行了系統的X射線晶體學研究。這項研究表明，隨著Si?/?O比例的改變，硅酸鹽晶體的原子排列會發生顯著變化。Machatschki將這些見解擴展到了以鋁替代硅的礦物硅酸鹽的原子。X射線晶體學在冶金領域的首次應用同樣發生在1920年代中期。最值得注意的是，Linus Pauling的Mg?₂?Sn合金結構導致了他關于復雜離子晶體的穩定性和結構的理論。

2012年10月17日，“洛克納斯特”號火星上的好奇號火星車對火星土壤進行了首次X射線衍射分析。流浪者的CheMin分析儀的結果表明存在多種礦物質，包括長石、輝石和橄欖石，并表明樣品中的火星土壤類似于夏威夷火山的“風化玄武巖土壤”?。