晶體學中的一個重要的領域，它研究晶態物質內部在原子尺度下的微觀結構。它為固體物理學、材料科學、結構化學、分子生物學、礦物學、醫藥學等許多學科的基礎研究和應用研究提供必不可少的實驗資料，使人們有可能從分子、原子以及電子分布的水平上去理解有關物質的行為規律。
按所用試樣的不同，晶體結構分析有多晶體分析和單晶體分析兩類；按所用手段的差異，晶體結構分析又有X 射線衍射分析、電子衍射和電子顯微分析、中子衍射分析三種。
單晶體X射線衍射分析是晶體結構分析中比較成熟的一種。它已經建立起比較完善的理論體系和實驗技術。復雜到分子量達數萬的生物大分子的晶體結構已經被大量測定出來。至于測定一個中等復雜程度（晶胞中除氫原子外含有約50個獨立原子）的晶體結構，一般只需一周時間。所測得原子坐標的精度可達10-3埃量級。