由于晶體中原子是周期排列的，其周期性可用點陣表示。而一個三維點陣可簡單地用一個由八個相鄰點構成的平行六面體（稱晶胞）在三維方向重復得到。一個晶胞形狀由它的三個邊（a,b,c）及它們間的夾角（γ，α，β）所規定，這六個參數稱點陣參數或晶胞參數。這樣一個三維點陣也可以看成是許多相同的平面點陣平行等距排列而成的，這樣一族平面點陣稱為一個平面點陣族，常用符號HKL（HKL為整數）來表示。一個三維空間點陣劃分為平面點陣族的方式是很多的，其平面點陣的構造和面間距d可以是不同的。晶體結構的周期性就可以由這一組dHKL來表示。
一個小晶體衍射X射線，其衍射方向是與晶體的周期性（d）有關的。一個衍射總可找到一個晶面族HKL，使它與入射線在此面族上符合反射關系，就以此面族的符號HKL作為此衍射之指數。其間關系用布拉格方程（式1）來表示。
2dHKLsinθHKL=nλ ⑴
式中，θHKL為入射線或反射線與晶面族之間的夾角，λ為入射X射線波長，n為反射級數。
衍射線的強度是與被重復排列的原子團的結構，也即和原子在晶胞中的分布裝況（坐標）有關，其間的關系由方程式⑵表示
式中，E稱為累積能量，I0為入射線強度，e,m為電子的電荷與質量，c為光速，λ為X射線波長，Vu為晶胞體積，稱洛侖茲偏振（LP）因子，|F|為結構振幅，e-2MT為溫度因子，A為吸收因子，V為小單晶體的體積，ω為樣品的轉速，其中結構因子
=|FHKL|eiαHKL ⑶
式中，fj,xj,yj,zj 分別為第j個原子的原子散射因子及它在晶胞中的分數坐標（以晶胞邊長為1）。n為晶胞中的原子數。αHKL為HKL衍射的相角。從此式可知衍射線強度是與各原子在晶胞中的位置（即結構）有關的，故反過來可從衍射線強度的分析解出晶胞中各原子的位置，即晶體結構。其方法是 ⑷
通過晶胞中的電子密度ρ（x,y,z）的計算。
故若知各衍射的FHKL，就可按⑷式計算晶胞的三維電子密度圖。原子所在處電子密度應該很高，故依此可定出原子在晶胞中位置，得出晶體結構。但是從衍射強度獲得的是結構振幅|F|，|F|與F之間的關系見式⑶。如何求得各HKL衍射的相角αHKL就成為X射線單晶衍射解晶體結構的關鍵。