Tinh thể quang tử được tạo thành từ các cấu trúc nanô điện môi hoặc kim loại-điện môi được thiết kế để tác động lên sự lan truyền của sóng điện từ tương tự như cách các hố năng lượng tuần hoàn trong các tinh thể bán dẫn tác động lên chuyển động của electron; tức là tạo ra các cấu trúc năng lượng của trạng thái photon trong tinh thể. Ở đây, một vùng trống trong cấu trúc năng lượng photon là những kiểu lan truyền mà sóng điện từ không được phép, hay những dải bước sóng không lan truyền được. Điều này dẫn đến các hiện tượng như ngăn cản phát xạ tự phát, gương định hướng có độ phản xạ cao hay ống dẫn sóng có độ hao tổn thấp.

Bản chất của các hiện tượng quan sát được là sự nhiễu xạ của sóng điện từ, trong đó chu kỳ không gian của các cấu trúc tinh thể phải có cùng kích cỡ với bước sóng của sóng điện từ (tức là vào cỡ vài trăm nm cho các tinh thể quang tử làm việc với ánh sáng). Đấy là một khó khăn kỹ thuật cho việc chế tạo các tinh thể quang tử nhân tạo.