晶体振荡器电路通过从石英谐振器获取电压信号，对其进行放大并将其反馈回谐振器来维持振荡。石英的膨胀和收缩速率是谐振频率，由晶体的切割和尺寸决定。当产生的输出频率的能量与电路中的损耗匹配时，可以维持振荡。

振荡器晶体具有两个导电板，在它们之间夹有一块石英片或音叉。在启动期间，控制电路会将晶体置于不稳定的平衡状态，并且由于系统中的正反馈，因此任何微小的噪声被放大，增加振荡。晶体谐振器也可以看作是该系统中的高频率选择滤波器：它仅使谐振频带周围的频率范围很窄，从而使其他所有信号衰减。最终，只有谐振频率有效。当振荡器放大从晶体发出的信号时，晶体频带中的信号变得更强，最终主导了振荡器的输出。石英晶体的窄共振带滤除了所有不需要的频率。

石英振荡器的输出频率可以是基频谐振的输出频率，也可以是谐振频率的倍数，称为谐波频率。谐波是基频的精确整数倍。但是，与许多其他机械谐振器一样，晶体表现出几种振荡模式，通常是基频的大约奇数倍。这些被称为“泛音模式”，并且可以设计振荡器电路来激发它们。泛音模式处于近似的频率，但不是基频的正整数倍，因此泛音频率不是基频的精确谐波。

高频晶体通常被设计为在第三，第五或第七谐波下工作。制造商很难生产足够薄的晶体以产生超过30 MHz的基频。为了产生更高的频率，制造商将泛音晶体调整为将第三，第五或第七泛音置于所需的频率，因为它们比会产生相同频率的基本晶体更厚，因此更易于制造，尽管可以激发所需的泛音频率需要稍微复杂一些的振荡器电路。[12] [13] [14] [15] [16] 基本的晶体振荡器电路比第三泛音电路更简单，更有效，并且具有更高的可拉性。根据制造商的不同，最高可用基本频率可能是25 MHz至66 MHz。[17] [18]

石英晶体的内部。

晶体振荡器广泛使用的主要原因是其高Q因子。一个典型的Q为石英振荡器值范围为10 4至10 6，相比也许10 2用于LC振荡器。高稳定性石英振荡器的最大Q可以估计为Q = 1.6×10 7 / f，其中f是兆赫兹的谐振频率。[19] [20]

石英晶体振荡器的最重要特征之一是它们可以表现出非常低的相位噪声。在许多振荡器中，谐振器会放大谐振频率处的任何频谱能量，从而产生不同相位的音调集合。在晶体振荡器中，晶体主要在一个轴上振动，因此只有一个相位占主导。低相位噪声的这种特性使其特别适用于需要稳定信号的电信以及需要非常精确的时间基准的科学设备。

温度，湿度，压力和振动的环境变化会改变石英晶体的谐振频率，但是有几种设计可以减少这些环境影响。这些包括下面定义的TCXO，MCXO和OCXO。这些设计，尤其是OCXO，通常会生产出具有出色短期稳定性的器件。短期稳定性的限制主要是由于振荡器电路中电子元件产生的噪声。长期稳定性受到晶体老化的限制。

由于老化和环境因素（例如温度和振动），即使不调节，也很难将最佳石英振荡器保持在其标称频率的10 10内。因此，原子振荡器用于需要更好的长期稳定性和准确性的应用中。