X ışını kristalografisi bir kristalin atomik ve moleküler yapısını incelemek için kullanılan ve kristalleşmiş atomların bir X-ışını demetindeki ışınların kristale özel çeşitli yönlerde kırınımı olayına dayanan, bir yöntemdir. Kırınıma uğrayan bu demetlerin açılarını ve genliklerini ölçerek bir kristalografi uzmanı kristaldeki elektronların yoğunluğunun üç boyutlu bir görüntüsünü elde edebilir. Bu elektron yoğunluğundan kristaldeki atomların kimyasal bağları, kristal yapıdaki düzensizlikler ve bazı başka bilgilerle birlikte ortalama konumları tespit edilebilir.
Tuzlar, metaller, mineraller, yarıiletkenlerde olduğu kadar çeşitli inorganik, organik ve biyolojik moleküller de kristal oluşturabikleri için X-ışını kristalografisi pek çok bilimsel alana temel teşkil etmiştir. Keşfinden itibaren ilk birkaç onyılda bu yöntem, muhtelif malzemelerin -özellikle de mineral ve alaşımların- atomlarının büyüklüklerini, kimyasal bağların uzunlukları ve türleri ile atomik ölçek farklarını bulmakta kullanılmıştır. Yöntem, aralarında vitaminler, ilaçlar, proteinler ve DNA gibi nükleik asitlarinde bulunduğu birçok biyolojik molekülün yapısını ve işlevini ortaya çıkarmıştır. X-ışını kristalografisi halen yeni malzemelerdeki atomik yapının tanımlanması ve farklı deneylere konu malzemeler arasındaki benzerliklerin anlaşılması için kullanılan başlıca yöntemdir. X-ışınıyla anlaşılan kristal yapıları, bir malzemenin alışılmışın dışında yeni elektronik ve esneklik özelliklerini açıklayabilir, kimyasal bir etkileşim sürecine ışık tutabilir veya hastalıklara karşı yeni ecza maddelerinin tasarımına temel teşkil edebilir.
Bir X-ışını kırınım ölçümünde bir açıölçerin üzerine yerleştirilen kristal, yavaş yavaş döndürülürken X-ışınlarıyla bombardımana tabi tutulması neticesinde kırınıma uğrayan ışınlar yansımalar olarak bilinen düzenli aralıklarla dizilmiş bir spot deseni oluşturur. Değişik açılardan elde edilen iki boyutlu görüntüler, matematiksel Fourier dönüşüm yöntemi kullanılarak ve kullanılan nümunenin bilinen kimyasal verileriyle birleştirilerek kristaldeki elektronların üç boyutlu modeli elde edilir. Şayet kristaller çok küçükse ya da iç yapıları yeterince düzenli değilse düşük çözünürlük (bulanıklık) gibi hatalar oluşabilir.
X-ışını kristalografisi, atomik yapıların tespitinde kullanılan birçok başka metotla ilişkilidir. Elektronlar ve nötronların saçılmasından da Fourier dönüşümleriyle yorumlanabilecek benzer kırınım desenleri elde edilebilir. Yeterli büyüklükte kristaller elde etmenin mümkün olmadığı durumlarda, daha az ayrıntılı bilgi verebilecek fiber kırınımı, un kırınımı ve küçük-açı X-ışını saçılması (small-angle X-ray scattering) (SAXS) gibi başka X-ışını metotları devreye sokulabilir. Eğer araştırılan kristal sadece nanokristal zerreler şeklinde bulunabiliyorsa veya kristalitesi zayıfsa, atomik yapıyı belirlemek için elektron kristalografisi metotları uygulanabilir.
Yukarıda sözü edilen X-ışını kırınımı metotları için, saçılma esnektir; saçılan X-ışınları kristale gelen X-ışınlarıyla aynı dalga boyundadır. Buna mukabil, esnek olmayan X-ışını saçılma metotları atomların dizilişlerinden ziyade nümunenin uyarılması araştırma konusu olduğunda daha kullanışlıdır.