周期的に規則配列した原子により散乱されたX線が特定の方向で干渉し、強めあう条件のとき回折が観察されます。
回折角度 (回折が現われる方向) は結晶構造、格子の大きさなどによって決まります。XRDではこの原理を利用して、化合物の同定･定量分析や、結晶構造の解析を行うことができます。
回折角度は、以下のブラッグ条件 (結晶によるX線、粒子線の回折が現われる方向を決める条件) によって求めることができます。

2d･sinθ＝nλのとき回折現象が生じます。

θ＝入射角　　
d＝物質の格子面に垂直方向の面間隔
λ＝入射X線の波長
n＝任意の整数

試料ステージに乗せて固定した試料にX線を照射し、試料から出る回折X線を検出器で測定します。試料ステージと検出器は可動式 (2θ, θ, x, y, z, φ, ψ軸に可動) になっています。

縦軸が強度、横軸が回折角度を表します。試料のデータとライブラリのデータを照合することで化合物を調べることができます。

X線回折は、化合物によって原子の並びの周期性が異なる特性を利用した、基本的な分析手法のひとつです。結晶性物質 (原子が規則正しく並んでいる物質) にX線を照射して現われる回折線を計測し、データベースと照合することで、試料の結晶構造や分子構造を調べることができます。
分析に用いるX線は、主に強力なCu Kα線を使用しています。もちろん、緊急時には自動的にX線の照射や電源が落ちる仕組みになっているので、被爆の心配はありません。
分析対象は金属材料、セラミック材料のほか高分子材料にも対応しており、電池や触媒に使われる材料の解析や未知の試料を同定することも可能です。試料は最大数十cm角の大きさまで対応しています。
高出力X線源と高感度二次元検出器を搭載し、高精度ゴニオメーターとレーザーを用いた高い位置決め精度を行えるμ-XRDは、より微量の試料を、より高い空間分解能で、より高速に測定結果を出すことができるようになっています。μ-XRDでは最小10μmの微小部領域で集合組織の解析、格子の歪の様子を調べることで物質にかかった応力を測定するX線応力測定などもできます。