עם סיום מלחמת העולם הראשונה התחדש המחקר הקריסטלוגרפי באמצעות קרני רנטגן. מכיוון שהייתה זו השיטה הטובה ביותר לפענח מבנים של מולקולות, בתנאי שניתן לגבשן, צצו מרכזים למחקר בשיטה זו בגרמניה (למשל באוניברסיטת LMU במינכן או במכון הקיסר וילהלם (Kaiser Wilhelm Gesellschaft), כיום מכון מקס פלאנק), בשווייץ (למשל במכון הטכנולוגי של ציריך), בצרפת, בארצות הברית, ובייחוד בבריטניה. השימוש בשיטה לא הוגבל יותר למחקר מבנה מינרלים. מכיוון שניתן לגבש תרכובות אי-אורגניות ואפילו תרכובות אורגניות החל פענוח המבנה המרחבי של תרכובות אלו בשיטה זו. ויליאם לורנס בראג הקים מרכז לקריסטלוגרפיה באוניברסיטת מנצ'סטר, ואביו, ויליאם הנרי בראג, הקים מרכז במכון המלכותי בלונדון. השניים חילקו ביניהם את העבודה, כאשר ויליאם לורנס בראג היה אחראי על פענוח תרכובות אי-אורגניות. במסגרת זו פענח הצוות של ויליאם לורנס בראג את המבנה הפנימי של כמה מהמינרלים הסיליקטיים והמתכות. בין השאר חקר את המבנה הפנימי של הארגוניט, האוליבין, הבריל והדיופסיד. ויליאם הנרי בראג הקים במכון המלכותי צוות של קריסטלוגרפים שאחר כך הטביעו את חותמם בצורה משמעותית בתחום וכלל את קתלין לונסדייל, ויליאם אסטבורי וג'ון דזמונד ברנל. ברנל, למשל, הופקד על פענוח מבנה הגרפיט, אותו פענח ב-1924, במקביל, ובאופן בלתי תלוי להרמן מארק והסל שעבדו במכון הקיסר וילהלם. לשם כך השתמש ברנל במתקן ידני עגול שחובר למנגנון של שעון שבו צולם גביש הגרפיט בעזרת קרני רנטגן מספר פעמים. התוצאה הייתה תבנית גלילית של נקודות שאותה היה על ברנל לפענח ידנית תוך שימוש בלוח לוגריתמים (שהיה אז אמצעי העזר היחיד לחישובים מורכבים). פעולה זו ארכה חודשים, ולאחר שפענח את מבנה הגרפיט נשבע ברנל כי לא יחזור יותר על התהליך הידני הארוך, והמציא את השיטה המכונה "תרשימי ברנל" (Bernal charts), שבה נעשה שימוש במשך ארבעה עשורים אחר כך.
אמצעי עזר.
פענוח מבנה מולקולות מתוך תבניות עקיפה דורש מתמטיקה מורכבת תוך שימוש בהתמרת פורייה ולעיתים תהליך חוזר ונשנה של "הכנת מודל ועידונו". בתהליך זה תבניות העקיפה החזויות של מבנה המודל ההיפותטי שנבנו מתמטית מושוות לתבניות העקיפה בפועל שהופקו מדגימת הגביש. במצב האידיאלי מציעים החוקרים כמה ניחושים ראשוניים שבתהליך עידון מתלכדים לאותו פתרון. את המודלים משפרים עד שהתבניות החזויות שלהם תואמות את התבנית בפועל במידה הגדולה ביותר הניתנת ליישום מבלי לבצע תיקון רדיקלי במודל. זהו תהליך ממושך ומייגע שנעשה קל יותר כיום בעזרת השימוש במחשבים. אבל קודם להמצאת המחשב נוסחו כמה כללים וחוקים והומצאו כמה שיטות לקצר את התהליך. ב-1913 ניסח המינרלוג והקריסטלוגרף הצרפתי ז'ורז' פרידל את חוק פרידל המתאר תכונה של התמרת פורייה של פונקציות ממשיות. ב-1934 הציע ארתור לינדו פטרסון תבנית המשמשת לפתרון בעיית הפאזה הקרויה פונקציית פטרסון על שמו. פאול פטר אוואלד הציע קשר בין אורך הגל זווית העקיפה והסריג ההופכי הקרוי על שמו כדור אוואלד.
כללים וחוקים אלו צמצמו את כמות החישובים, ובנוסף נעשה שימוש בכלים כדוגמת לוח לוגריתמים, סרגל חישוב, וכאמור השיטה המכונה "תרשימי ברנל" שהמציא ברנל בעת פענוח מבנה הגרפיט ב-1924. ב-1936, המציאו הנרי ליפסון וארנולד ביוורס, חוקרים צעירים שקיבלו תואר דוקטור זמן קצר קודם לכן באוניברסיטת ליברפול, שבה הוקם ב-1934 מרכז לקריסטלוגרפיה, טכניקה שעזרה אף היא לצמצם את כמות החישובים. השניים ניסו לפענח את המבנה המרחבי של תצורת הפנטהידריד של נחושת גופרתית (CuSO4), שבמקרה היה אותו גביש שעבורו השיג פון לאואה את תבנית העקיפה הראשונה. מכיוון שהידע בנושא היה מוגבל נהגו השניים לנסוע למנצ'סטר על מנת להיוועץ בוויליאם לורנס בראג, אז באוניברסיטת מנצ'סטר. במהלך ביצוע החישובים המייגעים גילו השניים כי הם מבזבזים ימים שלמים כשהם מכפילים ערכי סינוס וקוסינוס בגורם המשרעת. בסופו של דבר הבינו השניים כי עדיף לשמור על רצועות נייר את כל טורי החישובים. היה ברור שהשיטה שהכינו טובה לחישוב תא היחידה של כל סוג של גביש, ולכן דאג לורנס בראג לסדר הלוואה של 200 ליש"ט לליפסון וביוורס על מנת שידפיסו את רצועות החישובים שלהם כשהן ארוזות בקופסה. השניים הצליחו להחזיר את סכום ההלוואה במהירות מכיוון שבמהרה הפכה קופסת רצועות ביוורס-ליפסון לציוד חובה בכל מעבדת קריסטלוגרפיה.
הישגי הקריסטלוגרפיה במינרלוגיה ובמטלורגיה.
מאז שנות ה-20 הייתה העקיפה באמצעות קרני רנטגן לשיטה העיקרית לקביעת סידור האטומים במינרלים ובמתכות. ב-1924 פוענח מבנה הגארנט על ידי מנצר בעזרת קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן. מחקר קריסטלוגרפי שיטתי בעזרת קרני רנטגן של הסיליקטים נערך בשנות ה-20. מחקר זה הראה שכאשר היחס בין Si ל-O משתנה מראים גבישי הסיליקט שינויים משמעותיים בסידור האטומי שלהם. קרל מצ'טשקי (Karl Ludwig Felix Machatschki 1970-1895) הרחיב תובנות אלו למינרלים שבהם אלומיניום מחליף אטומי של צורן בסיליקטים. היישום הראשון של קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן במטלורגיה התרחש אף הוא בשנות ה-20. הדוגמה הראויה ביותר לציון היא פענוח הסגסוגת Mg2Sn על ידי לינוס פאולינג שהובילה לתאוריה שלו על היציבות והמבנה של גבישי יונים מורכבים.
בשנות ה-20 של המאה ה-20 ניסחו ויקטור גולדשמידט (Victor Moritz Goldschmidt 1947-1888) ואחר כך לינוס פאולינג חוקים הפוסלים מבנים שאינם אפשריים מבחינה כימית והקובעים את הגודל היחסי של האטומים. חוקים אלו הובילו לפענוח מבנה הברוקיט (1928), ולהבנת היציבות היחסית של הרוטיל, הברוקיט והאנאטז, שלוש הצורות בהן מופיע טיטניום דו-חמצני בטבע.
הישגי הקריסטלוגרפיה בכימיה.
קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן הובילה להבנה טובה יותר של מהות הקשרים הכימיים. המחקרים הראשונים גילו את הרדיוס הטיפוסי של האטומים, ואוששו רבים מהמודלים התאורטיים של הקשר הכימי, כדוגמת הקשר הטטראהדרלי של הפחמן במבנה היהלום, הקשר האוקטהדרלי שבין מתכות שאובחן באמוניום הקסכלרופלטינט, והרזוננס הכימי שבגאומטריה המולקולרית המישורית המשולשת של קבוצת הקרבונט, והתרכובות הארומטיות. פענוח מבנה ההקסמתילבנזן על ידי קתלין לונסדייל ב-1928 אימת את הסימטריה המשושה של הבנזן והראה את ההבדל באורך הקשר בין קשרי C-C אליפתיים לקשרי C-C ארומטתיים; ממצא זה הוביל לרעיון של הרזוננס הכימי, שלו היו השלכות מרחיקות לכת בהתפתחות הכימיה. את המסקנות אליהן הגיעה לונסדייל צפה מראש ויליאם הנרי בראג שפרסם מודלים של נפתלן ושל אנתרצן ב-1921 בהתבססו על מולקולות אחרות, דוגמה מוקדמת לשימוש בהחלפה מולקולרית (שיטה בקריסטלוגרפיה שבה מתבססים על מולקולות דומות שמבנם פוענח).
המרחק בין שני אטומים קשורים הוא אמת מידה רגישה לחוזק הקשר ולסדר הקשר; משום כך הובילו מחקרים בקריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן לגילוי סוגים אקזוטיים נוספים של קשרים בכימיה אי-אורגנית, כדוגמת קשר מתכתי כפול, קשר מתכתי מרובע, והקשר הקוולנטי מהסוג "קשר שני אלקטרונים, שלושה-מרכזים". קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן - או, ליתר דיוק, ניסוי אפקט קומפטון פלסטי – הוכיח את האופי הקוולנטי למחצה של קשרי מימן. בתחום הכימיה האורגנומתכתית גרם פענוח מבנה הפרוצן להתחלת המחקרים המדעיים על תרכובות סנדוויץ', בעוד שפענוח מבנה מלח צייס עורר את המחקר בנושא קשרי מתכת-פאי. ולבסוף, לקריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן היה תפקיד כחלוצה בתחום הכימיה הסופרא מולקולרית, בייחוד בהבנת המבנים של תרכובות מסוג אתר כתר ועקרונות כימיית ה-host-guest.
במדע החומרים נחקרו מערכות מורכבות אי-אורגניות ואורגנומתכתיות רבות בעזרת השימוש בגביש בודד, כדוגמה הפולרנים, הפורפירינים ותרכובות מורכבות אחרות. בעקיפה של גביש בודד נעשה שימוש בתעשייה הפרמצבטית, בשל בעיות שנתגלו בפולימורפים. הגורמים העיקריים המשפיעים על איכות המבנה של גביש בודד הם גודל הגביש וסדירות; גיבוש מחדש היא טכניקה נפוצה לשפר גורמים אלו בגבישים בעלי מולקולה קטנה.
הוכחה לחשיבות השיטה בכימיה ניתן לראות במאגר המידע המבני של קיימברידג'. מאגר מידע זה, המתוחזק על ידי "מרכז המידע הקריסטלוגרפי של קיימברידג'" (Cambridge Crystallographic Data Centre), הוקם כתוצאה מעבודתה של אולגה קנרד (Olga Kennard), קריסטלוגרפית יהודייה בריטית, על בסיס רעיון של ג'ון דזמונד ברנל. המאגר מכיל, נכון ל-2010, תיאור המבנה הגבישי של מעל ל-400,000 מולקולות קטנות, שמעל ל-99% מהם פוענחו באמצעות עקיפה בקרני רנטגן.
הישגי הקריסטלוגרפיה בביולוגיה.
תרכובות אורגניות.
המבנה הראשון של תרכובת אורגנית, הקסמין (C6H12N4), פוענח ב-1923. לאחר מכן נערכו כמה מחקרים של חומצות שומן ארוכות שרשרת, שהן מרכיב חשוב בממברנות ביולוגיות. בשנות ה-30 של המאה ה-20 החלו לפענח מבנים של מולקולות גדולות בהרבה שהן בעלות מורכבות רבה. התקדמות משמעותית חלה עם פענוח מבנה הפתלוציאנין (C32H18N8), מולקולה דו ממדית גדולה שיש לה זיקה קרובה למולקולות פורפירניות חשובות בביולוגיה כדוגמת הם, קורין (תרכובת הטרוציקלית C19H22N4) וכלורופיל.
קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן של מולקולות ביולוגיות הגיעה לתוצאות חשובות עם מחקריה של דורותי קרופוט הודג'קין, שפענחה את המבנים של הכולסטרול (1937), ויטמין B12 (1945) והפניצילין (1954), שעבורם קיבלה את פרס נובל לכימיה ב-1964. ב-1969 היא הצליחה לפענח את מבנה האינסולין, מטרה שעליה עבדה מעל ל-30 שנים.
גילוי המבנה המרחבי של ה-DNA.