与X射线衍射相似，高速运动的电子束作用于晶体（或气体）中的原子，也会产生衍射现象。电子衍射也可以用于测定晶体（或气体分子）的结构。由于电子带负电荷，原子对电子束的散射是由带正电荷的原子核电势和核外电子的负电位所组成的原子静电位引起的。
对同一种原子而言，它对电子束的散射能力比对X射线的散射能力大1 000倍。散射强度比对X射线散射强度大100万倍。因此，X射线衍射要用1毫米的晶体，而电子衍射只需104—105毫米的晶体即可。由于电子束的穿透能力很弱，远远不如X射线，作透射式衍射只能是厚度也就是104—105毫米的薄片晶体。
原子对电子的散射能力随衍射角的增大而迅速下降，因此，与X射线相比，电子衍射的衍射点更集中在低角度区域，可收集到的衍射点也较少。对电子衍射，重原子和轻原子对衍射强度贡献的差别不像X射线衍射那样悬殊，因此，用电子衍射比用X射线衍射更容易测定晶片中轻原子所处的位置。
由于电束的穿透力弱，很容易被空气吸收，因此，电子衍射不能在空气中进行，从发射电子束的电子枪、晶体样品和感光胶片等，都必须放在高真空容器中。在电子枪的阴极和阳极之间加上高速电子束。在电子枪与试样之间有环形磁透镜，把电子束聚焦以便在通过样品后落到照相底片或荧光屏上。
反射式电子衍射可用于研究数百埃厚的薄片晶体表面层结构。利用能量较低的电子束进行电子衍射研究晶体表面结构技术，称为低能电子衍射。