X射线衍射是一种由大量原子参加的散射现象，所得花样反映了原子在空间中的排布规律。典型的谱线如图1，从上到下分别是晶体、液体或非晶、单原子气体、具有一定结晶度的非晶，以及在空气中晶体所对应的谱线。通过分析衍射花样中的峰位、峰形及峰的相对强度，可进行物相鉴定、结晶度分析、择优取向和晶粒尺度分析等。

图1 不同状态物质所对应的衍射花样

这些谱线也可通过对二维衍射花样做关于衍射角θ的二维积分获得，如图2所示。由于底片或相机相对样品和X射线源的位置不同，衍射实验可分为对称法和不对称法。前者所获的衍射花样中心对称，但衍射范围较小；后者衍射图呈半圆状，收集的衍射数据范围较大。

图2 二维衍射花样及其关于衍射角θ积分所得衍射谱线

此外，X射线衍射花样也是研究生物大分子结构的重要方法。可通过分析衍射点的排列方式、测量点间距离以及衍射斑点强度等来推测分子中原子的排列方式和重复周期；应用一系列数学方法，借助电子计算机，可测定整个分子的结构。