X射線晶體學

更準確地說，利用電子對X射線的散射作用，X射線晶體學可以獲得晶體中電子密度的分佈情況，再從中分析獲得原子的位置信息，即晶體結構。（以下論述以高分子材料的X射線晶體學為主）由於所有的原子都含有電子，並且X射線的波長範圍為0.001－10納米（即0.01－100埃），其波長與成鍵原子之間的距離（1－2埃附近）可比，因此X射線可用於研究各類分子的結構。但是，到目前為止還不能用X射線對單個的分子成像，因為沒有X射線透鏡可以聚焦X射線，而且X射線對單個分子的衍射能力非常弱，無法被探測。而晶體（一般為單晶）中含有數量巨大的方位相同的分子，X射線對這些分子的衍射疊加在一起就能夠產生足以被探測的信號。從這個意義上說，晶體就是一個X射線的信號放大器。X射線晶體學將X射線與晶體學聯繫在一起，從而可以對各類晶體結構進行研究，特別是蛋白質晶體結構。

晶體生長

為了獲得可供衍射的單晶，就需要將純化后的生物樣品進行晶體生長。晶體生長的方法有很多，如氣相擴散法、液相擴散法、溫度漸變法、真空升華法、對流法等等，而目前應用最廣泛的晶體生長方法是氣相擴散法。氣相擴散法又可以分為懸滴法、坐滴法、三明治法、油滴法和微量透析法。其中，懸滴法的使用頻率最高。

（以上方法都屬於化學方法，通常，研究凝聚態物理的用得最多的是區熔法，以多晶材料為基礎通過局部施加高溫使其部分熔化后再結晶，從而逐漸得到大塊的晶體，高分子材料通常不能承受過高溫度，所以無法使用這種方法）

在獲得初步的晶體生長條件后，往往需要對晶體生長條件進行優化，包括調整沉澱劑濃度、pH值、樣品濃度、溫度、離子強度等。

衍射數據收集

在獲得單晶之後，就需要進行衍射實驗，即用X射線打到晶體上，產生衍射，並記錄衍射數據。X射線的來源主要有兩種，一種是在常用X射線儀上使用的，通過高能電子流轟擊銅靶（或鉬靶），產生多個特徵波長的X射線，其中使用的CuKα的波長為1.5418Å；另一種就是利用同步輻射所產生的X射線，其波長可以變化。同步輻射X射線可以分為角散同步輻射（ADXD）和能散同步輻射（EDXRD）兩種，角散同步輻射的實驗原理與通常的X射線衍射儀是一樣的，不過波長更低（如0.6199Å），能量更高；而能散使用白光入射，即入射光具有連續波長，收集的衍射信號是在固定角度進行的，它的分辯率較角散同步輻射低，技術要求也較低。現在國內的北京同步輻射實驗站（BSRF）已經升級成了角散的。

衍射數據（包括衍射點的位置和強度）的記錄多採用像板或CCD探測器。

數據分析

對記錄到的衍射數據進行分析，可以獲得晶體所屬的晶系和對應的布拉維格子以及每個衍射點在倒易空間上的miller指標和對應的強度。

晶體結構解析

由於晶體衍射實際上是晶體中每個原子的電子密度對X射線的衍射的疊加，衍射數據反映的是電子密度進行傅立葉變換的結果，用結構因子來表示。通過對結構因子進行反傅立葉變換，就可以獲得晶體中電子密度的分佈。而結構因子是與波動方程相關的，計算結構因子需要獲得波動方程中的三個參數，即波的振幅、頻率和相位。振幅可以通過每個衍射點的強度直接計算獲得，頻率也是已知的，但相位無法從衍射數據中直接獲得，因此就產生了晶體結構解析中的“相位問題（phase problem）”。

晶體結構解析中所採用的解決相位問題的方法有直接法和Patterson法。而對於解析生物大分子結構的主要方法有分子置換法、同晶置換法和反常散射法。