Molti solidi e alcuni liquidi cristallini hanno una disposizione regolare, ripetitiva e tridimensionale degli atomi nota come struttura cristallina o reticolo cristallino. Al contrario, un solido amorfo è un tipo di materiale solido, come il vetro, a cui manca una struttura ripetitiva a lungo raggio. Molte delle proprietà fisiche, ottiche ed elettriche di solidi o liquidi cristallini sono strettamente correlate alla struttura cristallina. Le unità ripetitive di una struttura cristallina, che sono costituite da piccole scatole o altre forme tridimensionali, sono chiamate “celle”. Molte di queste cellule sono raggruppate in una struttura ripetitiva e ordinata per formare la struttura complessiva.
La struttura cristallina di un materiale cristallino può influenzare molte delle proprietà complessive di quel materiale. È uno dei principali fattori determinanti che influenzano le proprietà ottiche del materiale, ad esempio. La struttura cristallina influisce anche in modo significativo sulla reattività del materiale cristallino, poiché determina la disposizione degli atomi reattivi sui bordi e sulle facce esterne del solido o liquido cristallino. Altre importanti caratteristiche dei materiali, comprese le proprietà elettriche e magnetiche di alcuni materiali, sono anch’esse determinate in gran parte dalla struttura cristallina.
Mineralogi, cristallografi, chimici e fisici spesso studiano i materiali cristallini in ambienti di laboratorio. Alcuni semplici aspetti delle strutture cristalline possono essere determinati attraverso semplici misurazioni geometriche, ma vari metodi basati sulla diffrazione di raggi X, neutroni, elettroni o altre particelle consentono determinazioni della struttura molto più facili e accurate. Alcuni ricercatori si preoccupano solo di determinare la struttura di un dato materiale cristallino, mentre altri sono più interessati a determinare come tale struttura si collega alle altre proprietà del materiale. Ancora altri ricercatori sono interessati a trovare applicazioni utili per vari materiali in base alle loro strutture, e alcuni addirittura cercano di sintetizzare nuovi solidi e liquidi cristallini in base alle proprietà previste delle loro strutture desiderate.
Va notato che, sebbene i materiali cristallini teorici siano composti da una serie perfetta e coerente di unità ripetute, i cristalli reali tendono ad avere difetti. Questi difetti sono, nella maggior parte dei casi, semplicemente irregolarità nella struttura cristallina altrimenti regolare. In alcuni casi, ciò si verifica quando un atomo occupa un posto diverso in una data struttura cristallina rispetto a quanto farebbe normalmente. Le diverse proprietà di questo atomo possono avere impatti sostanziali su come le unità strutturali del cristallo si dispongono attorno ad esso. Allo stesso modo, i difetti o le irregolarità dei cristalli reali possono avere impatti sostanziali sulle proprietà complessive del materiale cristallino.