晶体学包括三个主要组成：①几何晶体学。是晶体学的基础，主要内含是有关晶体三维周期性的晶格理论与有关晶体对称性的晶体学点群、空间群理论。②晶体衍射学。是现代晶体学的核心，它研究晶体及类晶的衍射效应及晶体物相分析。③晶体物理化学。主要涉及有关生长、缺陷与物性的晶体物理及有关化学、地学、生物体系各类晶体的晶体化学。晶体学分支甚多，如表面晶体学、晶体工程、蛋白晶体学等。

1801年名著《矿物学论》提出将晶体外形与内部结构联系起来的新思想。1830年J.F.C.赫塞尔分析了晶面的各种对称性，得到晶体有32种可能的晶类（即点群）。1848年A.布拉菲求得14种可能的空间点阵，并分成7个晶系。1890年E.C.费奥多罗夫和1891年A.M.熊夫利各自独立导出所有230种可能的空间群。他们共同奠定了几何晶体学的理论基础。1912年M.von 劳厄以晶体作为光栅对X射线的衍射，全面证实了基于空间点阵概念的晶体原子结构的理论。1946年A.V.舒布尼科夫引入色对称元素，1955年N.V.别洛夫和B.陶格尔导出122种可能的点群和1651种可能的空间群。其中一部分可用于说明磁有序晶体的对称性。

在X射线衍射晶体学提出之前，对晶体的研究主要集中于晶体的点阵几何上，包括测量各晶面相对于理论参考坐标系（晶体坐标轴）的夹角，以及建立晶体点阵的对称关系等。夹角的测量用测角仪完成。每个晶面在三维空间中的位置用它们在一个立体球面坐标“网”上的投影点（一般称为投影“极”）表示。坐标网又根据不同取法分为沃尔夫（Wolff）网和朗伯（Lambert）网。将一个晶体的各个晶面对应的极点在坐标网上画出，并标出晶面相应的密勒指数，便可确定晶体的对称性关系。

晶体X射线衍射的发现，开创了晶体微观结构研究的新时代。现代晶体学研究主要通过分析晶体对各种电磁波束或粒子束的衍射图像来进行。辐射源除了最常用的X射线外，还包括电子束和中子束（根据德布罗意理论，这些基本粒子都具有波动性，可表现出和光波类似的性质）。晶体学家直接用辐射源的名字命名各种标定方法，如布拉格父子的X射线衍射（常用英文缩写XRD），C.G.沙尔的中子衍射和G.P.汤姆孙和C.J.戴维森的电子衍射。特别是E.鲁斯卡发明电子显微镜，到了20世纪70～80年代已发展出高分辨率电子显微镜，可直接观察晶体结构周期性的点阵像。

以上三种辐射源与晶体试样的作用方式有很大区别：①X射线主要被原子（或离子）的最外层价电子所散射，最理想的X射线源通常是体积庞大的同步加速器（同步辐射光源）。同步辐射X射线波谱宽、强度和准直度极高，用于晶体学研究可大大提高精确度和研究效率。②电子由于带负电，会与包括原子核和核外电子在内的整个空间电荷分布场发生相互作用，现阶段最好的电子衍射平台是球差矫正透射电子显微镜，其空间分辨率可以达到0.5埃。③中子不带电且质量较大，主要在与原子核发生碰撞时（碰撞的概率非常低），受到来自原子核的作用力；再则由于中子自身的自旋磁矩不为零，还会与原子（或离子）磁场相互作用。这三种不同的作用方式适用于晶体学中不同方面的研究。

从晶体的衍射花样推测晶体结构的过程称为衍射花样的标定，涉及较烦琐的数学计算，常常要根据和衍射结果的比较对模型进行反复的修改。在这个过程中，晶体学家要计算出可能晶格结构的衍射花样，并与实际得到的花样进行对比，综合考虑各种因素后进行多次筛选和修正，最终选定一组（通常不止一种）与实验结果最大程度吻合的猜测作为推测的结果。这是一个异常烦琐的过程，但由于计算机的广泛应用，标定工作已经大大简化。

实际晶体内总是有杂质、缺陷，外有表面、界面，它们各有其具体结构，影响晶体的各种物性。在有限温度，晶格原子不断振动形成各种模式的格波，影响晶体的热学、电学、光学各方面的特性，由此先后出现观测晶体中杂质和缺陷的技术，用低能电子衍射来分析晶体表面的原子结构，20世纪80年代G.宾尼希和H.罗雷尔发明的扫描隧道显微镜，可直接在实空间观测晶体原子表面结构。50年代B.N.布罗克豪斯发明三轴中子谱仪，利用中子非弹性散射来测量格波的频率色散关系。

随着科学技术的发展，各种现代技术需要适用的材料，晶体和薄膜生长技术和相应理论也有新发展。特别是激光晶体、超晶格、量子阱、高温超导体、磁性多层膜、C₆₀固体、碳纳米管等各种新材料，促使分子束外延等新技术的发展。

19世纪末F.E.诺埃曼和他的学生W.佛克脱发现晶体的对称性与其物理性质各向异性之间的关系。20世纪晶体原子结构分析的发展，量子力学问世，晶体物性的研究深入到微观层次，开创了晶体对称性对电子量子态、格波本征态的限制及对称性对微观物理过程选择的影响和宏观物性的制约的研究。21世纪前后，开始致力于探索从原子、分子微观向宏观晶体之间过渡区域的物态和相关现象，开辟了介观固体和纳米固体的领域。

应当特别指出的是1984年D.谢特曼等发现的准晶体具有晶体所没有的二十面体对称性。这对晶体学是一个挑战。科学家很快认识到，这类材料的原子排列虽然失去周期性，但并不是平移无序，而是呈准周期性。失去三维周期性，具有三维准周期的结构，可具有二十面体的对称性。失去两维周期性，保留一维周期性的结构，将是具有正十边形对称性的准晶体。而失去一维周期性，保留二维周期性的结构，则是叫作斐波那契超晶格。所以，准晶体由于具有准周期性的长程序，才具有晶体所没有的对称性。准晶体和晶体并不相悖，各有其存在的依据。