中子散射是一种强有力的探测手段，用于观察物质的微观结构。中子和光一样，具有波粒二象性，既有波的性质，可以反射、折射、衍射、吸收，也具有粒子的性质，可以弹射、散射等。中子由于不带电，能比其他探测方式更为轻松地穿透物质。中子束打到被研究的样品身上，大多数会不受任何阻碍穿过样品，但有些中子会与研究对象的原子核发生相互作用，其运动方向也会发生改变，向四周“散射”开来。
我们分析中子散射的轨迹、中子和物质发生作用时能量和动量的变化，就可以反推物质的结构。
中子对物质（甚至是很厚金属容器）有很强的穿透性，可以协助考古人员对文物进行无损研究。例如，科学家用中子成像技术，可以看到佛像的中间有一根木制“主梁”。原来，中子对轻的元素，也就是原子系数小的元素非常敏感，中间的棍子是木头做的，也就是碳氢化合物，中子可以轻易地“看到”它。科学家也终于明白，这尊佛像的制造工艺和盖房子很像，先在中间立一根木梁，在木梁周围缠上“支撑架”，最终用黏土制成了佛像。
中子散射的装置非常庞大，可以观察样品的原位机构。例如，98年的德国高铁事故之后，科学家陷入了对事故原因分析的争议当中，是车轮、轴承还是铁轨出了故障？用其他手段例如电子显微镜，需要用激光刀把车轮切成小于1微米的薄片，几乎没有可操作性；而用中子散射装置，可以把整个车轮放在探测器中间，最终发现是由于车轮的老化导致事故的发生。
在生物医药领域，中子散射可以帮助我们看清蛋白质的内部结构。
和X射线只能看结晶状态下蛋白质结构不同，中子散射装置可以观察蛋白质在人体内复杂液体环境下的结构。中子散射也是唯一的可以无损检测碳纤维、螺旋桨叶片等先进材料内部结构的研究手段。在能源材料领域，氢动力汽车无疑比以汽油为燃料的汽车更加节能环保。如何实现氢气的稳定储存？我们希望把氢气变成密度更高的固体。最简单的办法是给氢气加压，但有容易引发爆炸的危险。有其他办法么？
现代科学家用一种金属-有机框架（MOF）材料，可以把氢气吸进去，要用的时候就把氢气释放出来。中子散射可以帮助科学家研究，氢气在金属的什么位置，什么情况下氢气可以更好地释放。