基於物質中待測原子受外界輻射激發時放出的特徵X射線螢光的鑒別，實現對待測元素組成和含量進行分析的方法。通過確定特徵X射線的能量，可給出元素的種類；通過測量特徵X射線的強度，則可進行元素的定量分析。
原理 X射線螢光分析的原理如圖1所示，當外界輻射（如X射線發生器、同位素X射線源或帶電粒子加速器等）轟擊樣品中的待測原子時，有可能使位於內層的電子電離，而留下空穴，接著處於外層的電子向向內層躍遷，由此產生的X射線的能量取決於外層和內層的電子軌道的能量之差值，反映瞭該元素的特征。這種特征X射線可用鋰漂移矽探測器或波長色散分析譜儀來測定，實現元素的定性和定量分析。
圖1 X射線熒光分析原理示意
方法 根據激發源的不同，可分為質子激發X射線熒光分析、電磁輻射激發X熒光分析、同步輻射X熒光分析等。也可根據X射線測定方法的不同，分為能量色散X射線熒光分析和波長色散X射線熒光分析。
質子激發X射線分析(PIXE)，系用帶電粒子加速器產生的質子（能量為兆電子伏特量級）轟擊樣品，使待測元素的原子的內層電子電離，導致特征X射線的發射，實現元素的分析。PIXE的典型實驗裝置如圖2所示。在具體PIXE實驗工作中，有厚靶和薄靶之分。厚靶是指將待測樣品（如大氣顆粒物、生物組織、河流沉積物等）直接作為靶樣進行分析。這種厚靶方法雖然制樣簡便，但由於X射線在樣品基體中的吸收和增強效應，致使X譜的數據處理比較復雜，準確度和靈敏度均較差。薄靶是將樣品灰化和溶解，然後把樣品溶液置於特定的襯膜上進行分析。這種薄靶方法雖然需要制靶操作，但可不考慮質子在樣品靶中的能量損失和X射線的基體效應，因此數據處理相對簡單，且靈敏度也有改善。在元素定量分析時，還可區分為絕對法和相對法兩種。薄靶的絕對法公式如下：
式中
W
i為第
i個元素在樣品中的含量；
N
i為第
i個元素的特征X射線峰計數；
A
i為第
i個元素的原子量；
ni為單位面積樣品靶接受的質子數目；
σi為特征X射線的產生截面；
Q為Si(Li)探測器與樣品所成的幾何立體角；
ε
i為該探測器對第
i個元素的X射線的探測效率；
N
0為阿伏伽德羅常數。這種絕對定量分析方法，由於實驗參數的不確定性，在實際使用中相當困難。為此，常采用相對法，其中以內標法較為普遍。具體做法是在樣品靶中添加已知量的元素作為標準，通過與已知內標的比較來確定待測元素的含量。
圖2 質子激發X射線分析(PIXE)裝置示意
PIXE方法的絕對靈敏度相當高，可達10－12克量級，相對靈敏度一般在毫克/千克量級。因此，可實現小樣品的定量分析。此外，這是一種多元素分析方法，可同時給出樣品中十幾種甚至更多元素的定性和定量結果。另一個優點是分析速度快，一個樣品的分析過程一般僅需幾分鐘。如果將質子束聚焦成直徑為微米量級的細束，並對樣品進行逐點掃描分析，便可獲得有空間分辨的元素含量分佈圖。最適用於PIXE方法分析的是元素周期表中原子序數中等的元素。對於原子序數小於11的輕元素，由於探測器窗的吸收等原因，靈敏度很差。
電磁輻射激發X熒光分析，又稱能量色散X射線熒光分析(EDXRF)，作為激發源的是X射線管或放射性同位素源55Fe、238Pu、241Am、57Co等，其原理與PIXE相同，但分析靈敏度比PIXE差。然而，由於用放射性同位素作激發源，因此整套儀器非常緊湊簡便，不僅可用於實驗室分析，還可用於野外現場分析。 同步輻射X熒光分析(SRXRF)，指用同步輻射作為激發源的X射線熒光分析方法。由於同步輻射源的高強度，因此SRXRF的分析靈敏度很高，元素探測極限比PIXE方法還高幾個量級。若再使用晶體單色器，可實現同步輻射X射線微探針的掃描分析。
應用 X射線熒光分析是一種無損分析方法，因此特別適用於珍貴文物和犯罪現場遺物的不破壞分析。X射線熒光分析由於可使用不同的激發源，因此可適用從主量元素到微量元素的分析。在生物、環境、材料、地質勘探中有廣泛的應用價值。此外，尚有利用光學晶體測量X射線能量和強度的波長色散X射線熒光分析。