Kristalne su one tvari koje imaju pravilnu, periodičnu unutarnju građu i difraktiraju rentgensko zračenje pri čemu daju oštre difrakcijske maksimume. Najčešće korištena metoda određivanja njihove strukture je difrakcija rentgenskog zračenja u jediničnom kristalu. Preduvjet za uspješan difrakcijski eksperiment je priprema jediničnog kristala odgovarajućih dimenzija što je ujedno i jedini korak u kojem izvođač eksperimenta može izravno utjecati na rezultate eksperimenta. Kristalizacija treba biti što sporija da bi se izbjeglo nastajanje defekata u kristalu, a temelj svih tehnika kristalizacije je polako postići prezasićenje otopine s obzirom na otopljenu tvar. Najčešće korištene tehnike su evaporacija, hlađenje, konvekcija, i difuzijske tehnike. Odabir tehnike ovisi o svojstvima tvari, ponajprije o topljivosti u različitim otapalima i sustavima otapala pri različitim temperaturama. Uređaj za određivanje kristalne strukture difrakcijom rentgenskog zračenja naziva se difraktometar. Zračenje se u većini slučajeva generira u rentgenskoj cijevi nakon čega se monokromatizira i usmjerava na pravilno montiran i centriran kristal. Ulaskom zračenja u kristal dolazi do njegovog raspršenja na elektronima u materijalu te do interferencije raspršenog zračenja. Konstruktivnom intereferencijom nastaju zasjenjenja na filmu, tzv. difrakcijski maksimumi, koja čine difrakcijsku sliku uzorka. Uvjet za konstruktivnu interferenciju matematički je opisan Braggovim zakonom. Nastala difrakcijska slika povezana je s elektronskom gustoćom u kristalu operacijom Fourierove transformacije. Međutim, tijekom eksperimenta gubi se podatak o fazi difraktiranog zračenja koji je nužan za uspješno računanje elektronske gustoće. Stoga su razvijene različite metode određivanja faze; odabir najbolje ovisi o vrstama atoma prisutnih u kristalu, a metode se mogu i kombinirati. Nakon što se odredi dio molekulske strukture, on se koristi kao modelna struktura za određivanje ostatka te je u svakoj iteraciji nova modelna struktura bliža pravoj. Kad su pronađeni svi nevodikovi atomi, pristupa se utočnjavanju modelne strukture uvođenjem različitih parametara da bi se postiglo bolje slaganje s eksperimentalnim podacima. Uz to, u procesu utočnjavanja lociraju se vodikovi atomi. Konačni rezultat difrakcijskog eksperimenta je poznata kristalna struktura tvari: dimenzije jedinične ćelije, prostorna grupa i koordinate svih atoma u asimetričnoj jedinici, a struktura se može i vizualizirati u nekom od računalnih programa. Ti se rezultati pohrane u odgovarajuću bazu podataka (npr. CSD, Cambridge Structural Database) kojoj drugi znanstvenici mogu pristupiti i pronaći potrebne informacije. Osim na jediničnom kristalu difrakcijski se eksperiment može provesti i na polikristalnom uzorku. Takav eksperiment najčešće se koristi za kvalitativnu i kvantitativnu faznu analizu uzoraka, no moguće ga je koristiti i za određivanje kristalne stukture. Za određivanje kristalnih stuktura umjesto rentgenskog zračenja ponekad se koristi zraka neutrona ili elektrona. Neutroni se difraktiraju na jezgrama zbog čega se neutronskom difrakcijom preciznije mogu odrediti položaji atoma. Uz to je, zbog drugačijih interakcija neutrona s materijom, pogodna za lociranje lakih atoma te za razlikovanje atoma bliskih atomskih brojeva i izotopa. Međutim, dobivanje zrake neutrona odgovarajuće brzine zahtijeva nuklearni reaktor ili akcelerator čestica što ograničava dostupnost ove metode. Difrakcija elektrona koristi se za transmisijsku elektronsku mikroskopiju, metodu kojom se mogu analizirati znatno manji kristali nego rentgenskom ili neutronskom kristalografijom. Također, zbog drugačije izvedbe instrumenta, ova se metoda koristi za proučavanje kristalnih defekata i granica domena u kristalu. Transmisijska elektronska mikroskopija pri sniženoj temperaturi, tzv. krioelektronska mikroskopija, popularna je metoda strukturne analize biomolekula.