中子衍射原理主要基於布拉格定律，當中子束流與晶體結構相互作用時，會在特定的角度（滿足布拉格方程2dsinθ=nλ）發生衍射，從而形成衍射峰。
這與X射線衍射的原理相似，但中子與材料相互作用時有其特點。例如，中子與原子核的相互作用使它們特別適合於識別輕元素和區分不同同位素。此外，由於中子具有磁矩，它們還能與材料的磁矩相互作用，產生磁衍射，這對於研究磁性材料的結構非常重要。中子衍射不僅適用於研究材料的晶格結構，還適用於測量材料的微觀應變和應力，通過比較有應力和無應力條件下的晶面間距變化，可以得出晶格應變的信息。