除光電吸收外，入射光子還可與原子碰撞，在各個方向上發生散射。散射作用分為兩種，即相干散射和非相干散射。
相干散射：當X射線照射到樣品上時，X射線便與樣品中的原子相互作用，帶電的電子和原子核就跟隨著X射線電磁波的周期變化的電磁場而振動。因原子核的質量比電子大得多，原子核的振動可忽略不計，主要是原子中的電子跟著一起周期振動。由于帶電粒子的振動，又產生新的電磁波，以球面波形式向四面八方射出，其波長和位相與入射X射線相同。又由于不同的電子都發射電磁波，就構成了一群可以相干的波源，這種現象叫做X射線相干散射。
非相干散射：當X射線與原子中束縛力(結合能)較弱的電子或自由電子發生碰撞，電子被碰向一邊，而X射線光子也偏離了一個角度。此時，X射線光子的一部分能量傳遞給電子，轉化為電子的動能。X射線光子就失去一部分能量，因為E=hν=hc/λ，X射線光子碰撞后能量減小、頻率變小、波長變大。由于碰撞后，各光子的散射方向不一樣，各光子失去的能量也不一樣，這樣它們的波長各不相同，兩個散射波的位相之間沒有關系，因此不能形成干涉作用，故這種散射稱為非相干散射。