中子通過晶態物質時發生的衍射現象。這裏中子的波長範圍約為10−10～10−9米。中子不帶電荷，但具有磁矩。原子對中子的散射有原子核的散射（核散射）和原子磁矩的散射（磁散射）兩種機制。中子衍射是研究晶體結構和磁結構的重要手段。
原理與分類 中子（核散射）晶晶體結構分析的原理與X射線結構分析的基本相同，差別僅在於散射體。X射線的散射體是電子，因此原子的X射線散射長度與其原子序數成正比。這使得較輕原子特別是氫原子的位置不易精確確定，元素周期表上的近鄰原子不易區分。核散射是一復雜的核過程。原子的中子散射長度各不相同，且無規律可循，因此可精確測定較輕原子，特別是氫原子的位置。這對於某些生物或化學樣品的結構分析非常重要。中子衍射易於區分元素周期表上近鄰原子，這對於某些近鄰原子合金的結構研究有重要意義。在晶體結構分析領域，中子彌補瞭X射線的一些不足。
中子磁散射的散射體是未配對的電子形成的磁矩。原子對中子的磁散射長度是一矢量，因此磁散射能夠測定原子磁矩的大小和方向。中子衍射是直接測定磁結構的唯一手段。
與X射線不同，中子能識別同一種元素的不同的同位素。這一特點在某些研究中有獨特的作用，如在生物樣品的小角散射研究中，利用氘化技術有助於得到更多的結構信息。
中子具有極強的穿透力，因此在中子衍射實驗中很容易使用高溫、低溫以及高壓等容器。一些大型機械構件可完整地進行中子衍射實驗，無破壞地研究其疲勞損傷的程度。
儀器設備 用於中子衍射研究的譜儀主要有三種：粉末衍射儀利用粉末樣品進行晶體結構和磁結構研究；單晶衍射儀利用單晶樣品進行晶體結構和磁結構研究；小角散射譜儀用於空間尺度在10−9～10−6米范圍內的原子、分子團簇的大小、形狀等結構特性和磁結構的研究。中子小角散射廣泛應用於材料科學、生物物理和結構生物學、高分子聚合體以及凝聚態物理等領域。
中子源 用於中子衍射研究的中子源主要有兩種：反應堆中子源和散裂中子源。反應堆中的裂變反應能產生連續穩定的中子束。散裂中子源是基於加速器的中子源，經加速器加速的質子轟擊重金屬靶可產生脈沖中子。這兩種中子源的規模都很大，且技術復雜造價昂貴。這也是影響中子散射研究廣泛開展的原因之一。與X射線特別是同步輻射光源的強度相比，中子通量偏低，使得中子衍射實驗周期較長，所需樣品較大。
兩種中子源的中子束特性不同，實驗技術也不同。反應堆譜儀與X射線譜儀采用相似的實驗技術：將利用單色器得到的單色中子入射到樣品上（單晶樣品需要先調整晶面取向），利用探測器進行角度掃描收集散射到各個角度的中子。散裂中子源譜儀采用的是飛行時間技術，即在探測器位置保持不變的條件下，利用測量中子從樣品到探測器的飛行時間來標定中子的波長。這裡變化的是波長。利用粉末樣品，每支探測器得到的都是一支中子衍射譜。單晶衍射儀的探測器需要覆蓋一定的區域，得到的是勞厄相。
1936年發現瞭中子的波動性，但中子衍射是在1945年反應堆技術成熟後才得以實現的。隨著反應堆在世界各地區的興建以及散裂中子源的發展，中子衍射作為多學科的研究手段得到瞭長足的發展。