קריסטלוגרפיה מוגדרת כמדע ניסויי, העוסק בקביעת סידור האטומים במוצקים. זו הגדרה מודרנית, מתחילת המאה ה-20, למדע ששורשיו במאה הראשונה לספירה ושעסק במחקר של גבישים טבעיים בלבד. מחקר זה היה עיסוקם הצדדי של כמה מהמדענים המובילים במאות ה-17 וה-18, והפך למדע של ממש, אם כי כענף של מדע המינרלוגיה, במאה ה-19. במאה זו נתגלו העקרונות העיקריים ונקבעו מונחים ומינוחים המשמשים עד היום. בתחילת המאה ה-20 נתגלתה הטכניקה של קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן, שאפשרה את פענוח המבנה הפנימי של גבישים ברמת האטומים. מכיוון שבמשך שנים רבות הייתה זו הטכנולוגיה היחידה שעמדה לרשות המדענים לפענוח מבנים של מולקולות, חל שינוי בהגדרת המדע, והוא אינו עוסק בפענוח מבנים של גבישים טבעיים בלבד, אלא בעיקר של כל תרכובת אם ניתן ליצור ממנה גבישים, או אפילו, במקרים מסוימים, סיבים או אבקה. בנוסף לשימוש בקרני רנטגן על מנת לקבל תבניות עקיפה, נעשה שימוש במשך השנים גם בקרינת אלקטרונים ונייטרונים. באמצעות הקריסטלוגרפיה נתגלו מבנים של חומצות אמינו, חלבונים ואפילו מבנים מורכבים מאוד, כמו של הריבוזום ושל נגיפים, כאשר התגלית החשובה ביותר שנתגלתה באמצעות קריסטלוגרפיה היא פענוח מבנה ה-DNA.
ניצנים ראשונים (עד סוף המאה ה-18).
מקור המילה "קריסטל" (השם הלועזי המקובל לגביש) מיוונית - κρυσταλλος - קרוסטאלוס, קרח או חומר שקוף. המילה עברה ללטינית כ"קריסטלום" (crystallum). בשם זה כונה קוורץ גבישי שקוף שמקורו בהרי האלפים, בשל האמונה כי נוצר ממים בקור העז. פליניוס הזקן, בספרו "תולדות הטבע", מדווח:
אלף חמש מאות שנה אחר כך הופיעה לראשונה בספרות התייחסות לצורתו הגאומטרית של הגביש. הבלגי אנסלמוס בואטיוס דה בודט (Anselmus Boetius de Boodt 1632-1550), רופאו האישי של הקיסר רודולף השני, תיעד את אוסף המינרלים ואבני החן של הקיסר. בספרו "ספר ההיסטוריה של אבנים ואבני חן" ("Gemmarum et lapidum historia libri V") (1609) מתייחס דה בודט במפורש לצורה המתמטית של המינרלים ("Lapides, qui hebent figuram certam mathematicum"). השרטוטים הראשונים של גבישי קוורץ מופיעים בספר זה.
המילה "קריסטל" יוחדה לקוורץ השקוף עד המאה ה-17, ואז, בהדרגה, התרחב השימוש בה וכלל גופים אחרים, כאלו שנמצאו בטבע או שהתקבלו מאידוי של תמיסת מי מלח, ושדמו לקוורץ השקוף בהיותם בעלי פאות ולעיתים גם בבהירותם ובשקיפותם.
ההתייחסות המדעית הראשונה לגבישים מצויה במאמר על פתית השלג המשושה של יוהאנס קפלר. ב-1611 ניסה קפלר להסביר את המבנה הגבישי של פתיתי שלג כתופעה שבה נדחסות ביחד כדוריות קטנות, אבל הצעד החשוב הראשון במחקר הגבישים נעשה על ידי הרופא והחוקר הדני ניקולאוס סטנו. סטנו, שלימים זנח את המחקר המדעי לטובת שירות בכנסייה הקתולית, חקר את הקשר בין מאובנים שדמו לשיני כריש, לבין שיני כריש אמיתיות. עבודתו של סטנו על שיני הכריש הובילו אותו לשאלה כיצד קורה שגוף מוצק אחד מצוי בשלמותו בתוך גוף מוצק אחר, כדוגמת סלע או שכבת סלעים. ה"מוצקים בתוך מוצקים" שעוררו את התעניינותו של סטנו כללו לא רק מוצקים כפי שהם מוגדרים בימינו, אלא גם מינרלים, גבישים, ציפויי אבן, עורקים ואפילו שכבות סלע בשלמותן. את תוצאות מחקריו בגאולוגיה סיכם ב-1669 בספר שיצא לאור בפירנצה ונחשב אבן דרך חשובה בתולדות הקריסטלוגרפיה והגאולוגיה - "דיון מקדים לעבודת המחקר על גוף מוצק המוכל באופן טבעי בגוף מוצק אחר" ("De solido intra solidum naturaliter contento dissertationis prodromus").
בספרו ניסח סטנו עיקרון הידוע בפשטות כ"חוק סטנו", או "חוק הזוויות הקבועות של סטנו". כשהוא מסתמך על מחקר גבישי הקוורץ, גילה סטנו שעל אף שהפאות של גבישים שונים של קוורץ שונות במידה ניכרת בצורה ובגודל היחסי, הזוויות בין צמדים של פאות מקבילות בגבישים מאותו חומר, זהות בכל הדגימות של המינרל או של החומר. עיקרון זה היווה פריצת דרך מהותית והוא מונח בבסיס המחקרים שנעשו אחר כך על מבנה הגביש. בנוסף הצביע סטנו על כך שהגבישים היו חייבים לצמוח בתוך נוזל בעזרת תוספת של שכבות חומר על פניו של גרעין הגביש. לגרעין יש צורה של מנסרה בעלת בסיס משושה, המסתיימת בכל צד בפירמידה בעלת בסיס משושה ושש פאות. עובי השכבות, על אף שהוא שווה בכל פאה כשלעצמה, אינו בהכרח שווה בין פאות שונות, אלא תלוי במיקומן של הפאות יחסית לנוזל שאפף אותן. מכאן שפאות הגביש, על אף שצורתן וגודלן יכולות להיות שונות, נשארות מקבילות לאלו של הגרעין המקורי, והזוויות ביניהן קבועות.
רוברט הוק בספרו "מיקרוגרפיה" (Micrographia, לונדון 1665), שקדם ליציאת ספרו של סטנו לאור, כבר שם לב לצורתם המסודרת של גבישי קוורץ זעירים שנמצאו כשהם מצפים חללים בצור, והעלה השערה כי הם בנויים מכדוריות. בערך באותו הזמן חקר הרופא הדני רסמוס ברתולין (Rasmus Bartholin; 1698-1625, ידוע גם בשמו הלטיני ארסמוס ברתולינוס - Erasmus Bartholinus) את תופעת השבירה הכפולה והפצילות המעוינת המושלמת של סוג הקלציט המכונה "פצלת איסלנדית" (Experimenta crystalli Islandici disdiaclastici, קופנהגן, 1669). גם הפיזיקאי והמתמטיקאי ההולנדי כריסטיאן הויגנס חקר תופעה זו (Traite de la lumiere, ליידן, 1690), וסבר כהוק לפניו שהגבישים בנויים מכדוריות. ב-1695 הבחין אנטוני ואן לוונהוק תחת המיקרוסקופ כי צורות שונות של גבישים צומחות מתמיסות של מלחים שונים. ואכן הרופא הגרמני אנדריאס ליבאו (Andreas Libau; 1616-1555, ידוע בשמו הלטיני אנדריאס ליבוויוס - Andreas Libavius) גילה הרבה קודם לכן, ב-1597, כי ניתן לברר את סוג המלחים המצויים במים מינרליים על ידי בחינת צורת הגבישים שנותרים לאחר שהמים מתאדים. המתמטיקאי האיטלקי דומניקו גוליילמיני (Domenico Guglielmini; 1710-1655) טען בספרו "הרהורים פילוסופיים שנובעים מצורת המלחים" (Riflessioni filosofiche dedotte dalle figure de' Sali, פדובה, 1706) כי לגבישים של כל סוג מלח יש צורה משל עצמם, כשזוויות המישורים בין הפאות תמיד זהות.
התאורטיקנים (מסוף המאה ה-18 ועד סוף המאה ה-19).
המסה הראשונה על קריסטלוגרפיה, "מבוא לקריסטלוגרפיה" (Prodromus Crystallographiae), יצאה לאור בשנת 1723 בלוצרן, וחיבר אותה הרופא השווייצרי מוריץ אנטון קפלר (Moritz Anton Cappeller 1769-1685). לקפלר מיוחסת המצאת המילה "קריסטלוגרפיה". גבישים הוזכרו בעבודות על מינרלוגיה ועל כימיה, כך למשל קארולוס ליניאוס בספרו על מיון עולם הטבע (Systema Naturae) (1735) מתאר כארבעים צורות של גבישים הנפוצות בין המינרלים השונים, אבל רק לקראת סוף המאה ה-18 חלה התקדמות ממשית בתחום. הקריסטלוגרפים הצרפתים בני תקופה זו, רומה דה ל'איל ורנה ז'יסט אאיאי, נחשבים כאבות תורת הקריסטלוגרפיה.
תוך שהוא מתבסס על תגליותיו של סטנו על הזוויות של הקוורץ, פרסם רומה דה ל'איל בספריו "מסה על הקריסטלוגרפיה" (Essai de cristallographie, פריז 1772) ו"קריסטלוגרפיה, או תיאורן של הצורות הנקיות של כל הגופים בממלכת המינרלים" (Cristallographie, ou description des formes propres ¢ tous les corps du regne mineral, פריז 1783), את תגליתו החשובה ביותר, שצורות שונות של גבישים של אותו חומר טבעי או מלאכותי קשורות בקשר הדוק האחת לשנייה. יותר מכך, על ידי מדידת הזוויות בין פאות הגבישים באמצעות גוניומטר, הוא קבע את העיקרון הבסיסי שזוויות אלו זהות לאותו סוג חומר ומאפיינות אותו. כשהוא מחליף בעזרת מישור אחד או קבוצות של מישורים את כל הקצוות הזהים של המבנה לו קרא "צורה פרימיטיבית", הוא גזר צורות קשורות אחרות. הוא הבחין בשש צורות פרימיטיביות והן הקובייה, התמניון המשוכלל, הארבעון המשוכלל, מעוינון (רומבוהדרון פאון בעל שש פאות מעוינות), תמניון בעל בסיס מעוין ופירמידה כפולה בעלת שש פאות. רק בשלוש האחרונות יכולים להיות שינויים בזוויות.
לצורך קביעת הזוויות של הגבישים, נזקק רומה דה ל'איל למכשיר שימדוד בצורה מדויקת את הזוויות בין פאות הגביש. הוא פנה בבקשה לתלמידיו שינסו לבנות מכשיר כזה. תלמידו, אַרְנוֹ קַרַנְז'וֹ (Arnould Carangeot 1806-1742), פיתח את גוניומטר המגע והציגו לראשונה ב-11 באפריל 1782. המכשיר בנוי מחצי עיגול המחולק למעלות ומסרגל שאותו הסמיכו לפאות הגביש הנבדק. המכשיר מדד רק גבישים מפותחים היטב וגדולים יחסית. דיוק המכשיר הגיע עד חצי מעלה.