Πολλά στερεά και μερικά κρυσταλλικά υγρά έχουν μια κανονική, επαναλαμβανόμενη, τρισδιάστατη διάταξη ατόμων γνωστή ως κρυσταλλική δομή ή κρυσταλλικό πλέγμα. Αντίθετα, ένα άμορφο στερεό είναι ένας τύπος στερεού υλικού, όπως το γυαλί, που δεν έχει τέτοια επαναλαμβανόμενη δομή μεγάλης εμβέλειας. Πολλές από τις φυσικές, οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των κρυσταλλικών στερεών ή υγρών σχετίζονται στενά με την κρυσταλλική δομή. Οι επαναλαμβανόμενες μονάδες μιας κρυσταλλικής δομής, οι οποίες αποτελούνται από μικρά κουτιά ή άλλα τρισδιάστατα σχήματα, αναφέρονται ως «κύτταρα». Πολλά από αυτά τα κύτταρα ομαδοποιούνται σε μια επαναλαμβανόμενη, τακτική δομή για να συνθέσουν τη συνολική δομή.
Η κρυσταλλική δομή ενός δοσμένου κρυσταλλικού υλικού μπορεί να επηρεάσει πολλές από τις συνολικές ιδιότητες αυτού του υλικού. Είναι ένας από τους κύριους καθοριστικούς παράγοντες που επηρεάζουν τις οπτικές ιδιότητες του υλικού, για παράδειγμα. Η κρυσταλλική δομή επηρεάζει επίσης σημαντικά την αντιδραστικότητα του κρυσταλλικού υλικού, καθώς καθορίζει τη διάταξη των αντιδρώντων ατόμων στα εξωτερικά άκρα και τις όψεις του κρυσταλλικού στερεού ή υγρού. Άλλα σημαντικά χαρακτηριστικά του υλικού, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρικών και μαγνητικών ιδιοτήτων ορισμένων υλικών, καθορίζονται επίσης σε μεγάλο βαθμό από την κρυσταλλική δομή.
Οι ορυκτολόγοι, οι κρυσταλλογράφοι, οι χημικοί και οι φυσικοί συχνά μελετούν κρυσταλλικά υλικά σε εργαστηριακά περιβάλλοντα. Μερικές απλές πτυχές των κρυσταλλικών δομών μπορούν να προσδιοριστούν μέσω απλών γεωμετρικών μετρήσεων, αλλά διάφορες μέθοδοι που βασίζονται στην περίθλαση ακτίνων Χ, νετρονίων, ηλεκτρονίων ή άλλων σωματιδίων επιτρέπουν πολύ ευκολότερους και ακριβέστερους προσδιορισμούς της δομής. Μερικοί ερευνητές ενδιαφέρονται μόνο για τον προσδιορισμό της δομής ενός δεδομένου κρυσταλλικού υλικού, ενώ άλλοι ενδιαφέρονται περισσότερο να προσδιορίσουν πώς αυτή η δομή συνδέεται με τις άλλες ιδιότητες του υλικού. Ακόμα άλλοι ερευνητές ενδιαφέρονται να βρουν χρήσιμες εφαρμογές για διάφορα υλικά με βάση τις δομές τους, και μερικοί προσπαθούν ακόμη και να συνθέσουν νέα κρυσταλλικά στερεά και υγρά με βάση τις αναμενόμενες ιδιότητες των επιθυμητών δομών τους.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι, αν και τα θεωρητικά κρυσταλλικά υλικά αποτελούνται από μια τέλεια και συνεπή σειρά επαναλαμβανόμενων μονάδων, οι πραγματικοί κρύσταλλοι τείνουν να έχουν ελαττώματα. Αυτά τα ελαττώματα είναι, στις περισσότερες περιπτώσεις, απλώς ανωμαλίες στην κατά τα άλλα κανονική κρυσταλλική δομή. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτό συμβαίνει όταν ένα άτομο παίρνει διαφορετική θέση σε μια δεδομένη κρυσταλλική δομή από ό,τι συνήθως. Οι διαφορετικές ιδιότητες αυτού του ατόμου μπορεί να έχουν ουσιαστικές επιπτώσεις στον τρόπο με τον οποίο οι δομικές μονάδες του κρυστάλλου διατάσσονται γύρω του. Παρομοίως, τα ελαττώματα ή οι ανωμαλίες των πραγματικών κρυστάλλων μπορεί να έχουν σημαντικές επιπτώσεις στις συνολικές ιδιότητες του κρυσταλλικού υλικού.