เครื่องเร่งอนุภาคแบบไซโคลทรอน เพิ่มพลังงานให้กับอนุภาคมีประจุ (charged particles) ด้วยสนามไฟฟ้า โดยมีสนามแม่เหล็กเป็นตัวช่วยควบคุมให้อนุภาควิ่งเป็นวงโค้ง การใช้งานส่วนใหญ่ของไซโคลทรอน คือการเร่งอนุภาคเข้าไปชนกับเป้า พื่อที่จะสร้างไอโซโทปรังสีเพื่อการแพทย์และอุตสาหกรรม ไซโคลทรอนมีลักษณะเป็นวงกลม ต้นกำเนิดอนุภาคของไซโคลทรอนจะอยู่บริเวณใกล้กับจุดศูนย์กลาง เมื่อไอออนหรืออนุภาคมีประจุได้ถูกปล่อยเข้าไปในเครื่อง มันจะวิ่งอยู่ภายในส่วนที่เรียกว่า ดี (dee) ซึ่งเป็นส่วนโลหะกลวงที่มีรูปร่างคล้ายตัวอักษร D ไซโคลทรอนจะมี dee นี้อยู่สองฝั่ง วางอยู่เคียงกัน ภายใน dee นี้ จะมีสนามแม่เหล็กซึ่งจะผลักให้อนุภาควิ่งเป็นวงกลม ด้วยแรงแม่เหล็ก F = q v B โดยที่ q คือประจุไฟฟ้าของอนุภาค v คือความเร็ว และ B คือสนามแม่เหล็ก ซึ่ง สนามแม่เหล็กนี้ เกิดจากขั้วแม่เหล็กขนาดใหญ่ ซึ่งอยู่ด้านบนและล่างของไซโคลตรอน

อนุภาคได้รับการเร่งความเร็วเมื่อมันวิ่งผ่านช่องว่างระหว่าง dee ทั้งสอง ซึ่งในช่องนี้ จะมีสนามไฟฟ้าอยู่ ซึ่งทุกครั้งที่อนุภาควิ่งผ่านก็จะถูกผลักด้วยแรงคูลอมป์ F = q E (E คือ สนามไฟฟ้า) และมีพลังงานเพิ่มขึ้น

สนามไฟฟ้านี้ถูกสร้างโดยแหล่งกำเนิดความต่างศักย์ไฟฟ้าสลับ (alternating voltage source) ส่วนภายใน dee นั้น อนุภาคจะถูกกั้นออกจากสนามไฟฟ้า และวิ่งอยู่ด้วยเป็นวงกลมด้วยแรงทางแม่เหล็กแรงเดียว

การเคลื่อนที่เป็นวงกลมนั้น รัศมีความโค้ง (radius of curvature) มีค่าขึ้นอยู่กับโมเมนตัม ประจุไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก R = p/qB
โดยโมเมนตัม p เท่ากับ มวลคูณความเร็ว (ในกรณีที่ความเร็วอนุภาคไม่เข้าใกล้ความเร็วแสง)

เมื่อพลังงานของอนุภาคเพิ่มขึ้น ความเร็วก็จะเพิ่มขึ้น รัศมีความโค้งก็จะมากตามขึ้นไปด้วย พลังงานจลน์มีค่า KE = R²q²B²/2m

ดังนั้น หากเราต้องการอนุภาคพลังงานสูง เราต้องสร้างไซโคลทรอนเครื่องใหญ่ ไซโคลตรอนได้ถูกประดิษฐ์ขึ้นที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ณ เบิร์คลีย์ (Berkeley) โดยการนำของเออร์เนสต์ ออร์แลนโด ลอร์เรนซ์ (Ernest Orlando Lawrence) ในช่วงต้น ค.ศ. 1930. เครื่องแรกที่ลอร์เรนซ์สร้างกับลิฟวิงสตันนั้น เล็กจนสามารถใส่ในมือข้างเดียวได้ เครื่องขนาด 12 ซม.นี้สามารถสร้างโปรตอนพลังงาน 80 keV ได้ และหลังจากนั้น ก็ได้สร้างตามมาอีกหลายเครื่องโดยเพิ่มขนาดขึ้นเรื่อยๆ ยังผลให้สามารถเพิ่มพลังงานให้กับอนุภาคได้มากขึ้นตามไปด้วย เครื่องรุ่นใหม่ๆ อย่างเช่น TRIUMF ที่แคนาดา มีรัศมีถึง 9 เมตร และให้พลังงานกับโปรตอนได้ถึง 520 ล้าน eV

ลอร์เรนซ์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1939 จากการสร้างและพัฒนาไซโคลทรอนนี้