DNA הוא מולקולת ענק של חומצת גרעין המורכבת ממיליוני זוגות נוקליאוטידים היוצרים סליל כפול, המכילה את כל המידע התורשתי לבנייתם של כל החלבונים בתא, אצל כל האורגניזמים הידועים, החל מחיידקים ועד לבני אדם, ואף בחלק מהנגיפים. ה-DNA זוהה לראשונה על ידי הרופא השווייצרי פרידריך מישר במוגלה בתחבושות רפואיות משומשות. ב-1919 זיהה הביוכימאי פבוס לוון (Phoebus Levene) את הבסיס החנקני, החד-סוכר והזרחה שבנוקלאוטיד, אבן הבניין של ה-DNA. לוון העלה השערה שה-DNA בנוי משרשרת של נוקלאוטידים המקושרים דרך קבוצות הזרחה, וחשב שהשרשרת קצרה והבסיסים חוזרים על עצמם בסדר מחזורי. ב-1937 הפיק ויליאם אסטבורי את התבניות הראשונות של עקיפה באמצעות קרני רנטגן שהראו של-DNA יש מבנה סדיר.
ב-1943 הוכיחו קבוצת חוקרים בראשות אוסוואלד אייבורי (Oswald Avery) כי ה-DNA מכיל מידע גנטי (ראו ניסוי איוורי-מקלאוד-מקארתי), וניסוי הרשי-צ'ייס שנערך ב-1952 היווה תמיכה משמעותית להנחה כי ה-DNA הוא החומר התורשתי הנמצא בתא החי.
ב-1953 הציעו פרנסיס קריק וג'יימס ווטסון את מודל "הסליל הכפול" המקובל כמודל הנכון למבנה המרחבי של ה-DNA, במאמר קצר בכתב העת Nature. השניים, ששהו אז במעבדת קוונדיש בקיימברידג', שנוהלה אז על ידי ויליאם לורנס בראג, מגלה השיטה לקריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן, התבססו על מחקריו של הביוכימאי היהודי אמריקאי ארווין צ'רגף (Erwin Chargaff), שגילה שהבסיסים של ה-DNA מצויים בזוגות, ועל תצלום בודד של עקיפה באמצעות קרני רנטגן (המכונה תצלום 51) שהושג על ידי רוזלינד פרנקלין (והועבר לשניים בלא ידיעתה), אז בקינג'ס קולג' באוניברסיטת לונדון. בגין תגלית זו זכו השניים יחד עם מוריס וילקינס, שעבד עם פרנקלין בקינג'ס קולג', בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה לשנת 1962.
חלבונים.
המבנה הגבישי של חלבונים (שצורתם אינה סדירה והם גדולים פי כמה מאות מהכולסטרול) החל להיות מפוענח בשנות ה-50, אבל ניסיונות לפענוח מבנה החלבונים החלו הרבה קודם לכן. חלוץ המחקר היה ויליאם אסטבורי שחקר בסוף שנות ה-20 באוניברסיטת לידס את מבנה הסיבים של הצמר ומבנה החלבון הבונה אותו, הקרטין, במימון מועצת הטקסטיל כמו גם את הקולגן. המודלים שלו היו נכונים במהות, אך שגויים בפרטים. את מבנה סליל אלפא, מבנה שניוני דמוי קפיץ החוזר בחלבונים רבים, פענחו לינוס פאולינג ורוברט קורי ב-1951. ב-1958 פענח ג'ון קנדרו את מבנה המיוגלובין של ראשתן גדול-ראש, וב-1959 פענח מקס פרוץ את מבנה ההמוגלובין. השניים זכו במשותף בפרס נובל לכימיה ב-1962. מאז קצב הפענוח גדל והמבנים המפוענחים מקוטלגים בבסיס נתונים ממוחשב המכונה בנק מידע החלבונים המכיל נכון ל-2014 מעל ל-100,000 מבנים של חלבונים, כ-90% מהמבנים פוענחו בעזרת קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן.
הישגי הקריסטלוגרפיה במיקרוביולוגיה.
ב-1935 הצליח הביוכימאי האמריקני ונדל מרדית סטנלי (Wendell Meredith Stanley) ליצור גבישים מנגיף מוזאיקת הטבק, נגיף שתקף צמחים (בעיקר טבק). במשך השנים נעשו כמה ניסיונות לפענח את מבנה הנגיף באמצעות קריסטלוגרפיה, בין השאר על ידי ג'ון דזמונד ברנל ואיזידור פנקוכן, שניסו לפענח מבנים גם של נגיפים אחרים כדוגמת TBSV (ראשי תיבות של Tomato bushy stunt virus, סוג של נגיף התוקף עגבניות). המבנה פוענח בסופו של דבר על ידי רוזלינד פרנקלין שעבדה אצל ברנל אחרי מלחמת העולם השנייה, ואף החלה לנסות לפענח את מבנה נגיף שיתוק ילדים.
משנות ה-70 החלה הקריסטלוגרפית הישראלית עדה יונת לחקור את מבנה הריבוזום בעזרת קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן. מחקרה נתקל בקשיים הן בגיבוש הריבוזומים (שנפתר תוך שימוש בריבוזומים שמקורם בחיידקים מים המלח) והן בשל התפרקות הגביש בהשפעת קרינת הרנטגן (שנפתר באמצעות הקפאה עמוקה). לפענוח מבנה הריבוזום יש משמעות מעשית רבה. חלק גדול מהתרופות האנטיביוטיות פועל באמצעות חסימת סלקטיבית של יצירת החלבונים בריבוזומים של חיידקים, ופענוח המבנה מאפשר לנסות ליצור תרופות אנטיביוטיות חדשות. בגין תגלית זו זכתה יונת בפרס נובל לכימיה לשנת 2009.
גילוי הסימטריה המחומשת.
בשנת 1984 התחוללה מהפכה זוטא בתחום הפיזיקה של חומר מעובה. דן שכטמן מהטכניון פרסם את תגליתו – קיום גביש בעל סימטריה איקוֹסאדרית (של עשרימון), הכוללת סימטריה גבישית מחומשת. שכטמן גילה אותו כבר באפריל 1982 בעזרת קריסטלוגרפיה באמצעות מיקרוסקופיית ודיפרקציית אלקטרונים, אך הממצא נחשב אז לחריג ביותר ופרסומו התעכב למעלה משנתיים בגלל חוסר האמון של הממסד המדעי. עד תגלית זו הסיבובים היחידים שנחשבו ככאלו המאפשרים סימטריה בגביש היו: סיבוב שלם (למעשה, השארת הגביש במצבו המקורי), חצי סיבוב (סיבוב של 180°), שליש סיבוב, רבע סיבוב ושישית סיבוב. וההנחה הייתה כי לגביש לא יכולה להיות סימטריה לחמישית סיבוב (כלומר לסיבוב של 360°/5 = 72°) או לשביעית סיבוב, לשמינית, לתשיעית, וכן הלאה. חודש אחד אחרי הפרסום של שכטמן ושותפיו, פרסמו לוין ושטיינהארדט (Levin, Steinhardt) הסבר לתופעה, לפיה אפשר היה להבין את הגבישים החדשים באמצעות הריצוף הקוואזיפריודי של רוג'ר פנרוז.
לא ניתן לרצף את המישור במחומשים משוכללים, ועובדה זו הייתה ידועה מזמן. בשנות ה-70 של המאה ה-20 מצא רוג'ר פנרוז, אסטרופיזיקאי ידוע, ריצוף בעל סימטריה מחומשת שאינו מחזורי, אלא כמעט-מחזורי בלבד. הריצוף הזה מבוסס על שתי מרצפות מעוינות, הנגזרות ממחומש משוכלל. ליישום במדעי הטבע מעדיפים לרוב את גרסת שתי המרצפות המעוינות.
לאחר תגליתו של שכטמן והופעת כמה הצעות להסבר תאורטי לתופעה, נפתחה הדלת לגילויים חדשים. נמצאו גבישים נוספים שקיומם נחשב כבלתי אפשרי, ונפתח תחום מחקר חדש. הגבישים החדשים מכונים גבישים כמו-מחזוריים (או גבישים קווזיפריודיים). אישימאסה ושותפיו (Ishimasa) מצאו גבישים בעלי סימטריה דוֹדֶקאגוֹנאלית (מתרוסרת). בנדרסקי (Bendersky) מצא גבישים פּנטא-גוֹנאליים/דֶקאגוֹנאליים, דהיינו בעלי סימטריה מחומשת, שהיא בעצם מעושרת. כעבור כשנה מצאו ואנג ושותפיו מקבוצת פרופסור קוּאוֹ בבייג'ינג (Wang) גבישים אוֹקטאגוֹנאליים (מתומנים). אחרי גילויים אלה התפשט והעמיק חקר הגבישים הקוואזיפריודים. התגלו מאות סוגים של גבישים חדשים.
באפריל 2006 יצרו חוקרים מהפקולטה לפיזיקה בטכניון, בהנחיית פרופ' מוטי שגב, גביש כמו-מחזורי פוטוני, המגיב בצורה דינמית לאור העובר דרכו. הם הכניסו פגם באופן מכוון לגביש, והראו, בזמן אמת, כיצד הגביש מתקן את עצמו באמצעות האינטראקציה הדינמית עם האור. תופעה ייחודית זאת נוטעת את התקווה שפיתוחים עתידיים בתחום יוכלו לרתום את התכונות החדשות ליצירת טכנולוגיות ושימושים נוספים לגבישים מסוג זה.
ב-2011 זכה שכטמן בפרס נובל לכימיה על תגלית זו.
התבססות והתמסדות מדע הקריסטלוגרפיה.
להתבססות ולהתמסדות הקריסטלוגרפיה היו גם ביטויים נוספים, מעבר להקמת המרכזים באירופה ובארצות הברית שהוזכרו לעיל. לצורך חילופי ידע בין המדענים נערכו כינוסים ויצאו לאור כתבי עת בתחום. ב-1877 החל המינרלוג והקריסטלוגרף הגרמני פאול גרות להוציא לאור בשטרסבורג את כתב העת "Zeitschrift für Krystallographie und Mineralogie" (כתב עת לקריסטלוגרפיה ומינרלוגיה) שאותו ערך במשך שנים אחדות. הקריסטלוגרפיה הייתה במאה ה-19 חלק ממדע המינרלוגיה, אבל נפרדה ממנה במאה ה-20, ולפיכך הוחלט ב-1924 לשנות את שם כתב העת ל-Zeitschrift für Krystallographie (כתב עת לקריסטלוגרפיה), על מנת להדגיש כי כתב העת עוסק בקריסטלוגרפיה בלבד. כתב העת דגל במדיניות של פרסום מאמרים בשפת המקור של הכותבים, ואף על פי שהשפה העיקרית בו הייתה גרמנית, התפרסמו בו גם מאמרים באנגלית ובצרפתית. מערכת כתב העת כללה את הקריסטלוגרף השווייצרי פאול ניגלי, כעורך הראשי של כתב העת (בין השנים 1921 ל-1940), וצוות שכלל בין השאר את פאול פטר אוואלד (מ-1924 עד אמצע שנות ה-30) כעורך משותף. בניהולם הפך כתב העת לכתב העת החשוב ביותר בתחום הקריסטלוגרפיה בתקופה שקדמה למלחמת העולם השנייה. כתב העת הפסיק להתפרסם בסוף המלחמה, והוא יצא לאור מחדש ב-1955, אם כי ככתב עת גרמני בלבד, ומאז הוא מתפרסם ברציפות.