Viļņiem, saskaroties ar šķēršļiem vai spraugām, kuru izmērs ir salīdzināms ar viļņa garumu, var novērot novirzes no taisnvirziena izplatīšanās kustības jeb difrakciju. To skaidro, izmantojot Heigensa–Frenela un viļņu superpozīcijas principus. Difrakcija ir raksturīga visu veidu viļņiem – elektromagnētiskajiem, skaņas, ūdens, matērijas un citiem. Viļņu difrakcijas efekti ir novērojami ikdienas parādībās, un tiem ir praktiski liela nozīme fizikā, optikā, akustikā un inženierijā.

Klasiskajā fizikā difrakciju skaidro, izmantojot Heigensa–Frenela un viļņu superpozīcijas principus. Heigensa princips apgalvo, ka katrs viļņa frontes punkts ir sekundāru sfērisko viļņu avots, bet pēc Frenela principa sekundāro viļņu svārstības var uzskatīt par koherentām. Sekundārajiem viļņiem pārklājoties, tiek novērota viļņu superpozīcijas jeb interferences aina.

Viens no vienkāršākajiem difrakcijas piemēriem ir gaismas izplatīšanās caur šauru taisnstūrveida spraugu. Ja spraugas izmērs ir salīdzināms ar monohromatiskas gaismas viļņa garumu, uz ekrāna fokusējot cauri izgājušo gaismu, iegūst tumšu un gaišu joslu kopumu, kas radies gaismas difrakcijas dēļ. Tumšo joslu pozīcijas uz ekrāna apraksta interferences ainas minimumu nosacījums:

$$asin\varphi_{m}=m\lambda,$$

kur a – spraugas platums, φ – staru nolieces jeb difrakcijas leņķis, m = ±1, ±2, ±3, ... – minimuma kārtas skaitlis; λ – gaismas viļņa garums. 

Izmantojot starojumu ar īsāku viļņa garumu, piemēram, sarkanas gaismas vietā – zilu, joslas uz ekrāna izkārtosies ciešāk viena pie otras. Ja tiek izmantota balta gaisma, centrālais maksimums būs baltā krāsā, bet pārējo interferences maksimumu joslas būs sadalījušās spektrā.

Periodisku struktūru, kas sastāv no daudzām paralēlām spraugām jeb svītrām sauc par difrakcijas režģi. Katrā spraugā notiek gaismas difrakcija un rezultējošā viļņa amplitūda uz ekrāna veidojas kā difraģēto viļņu interferences rezultāts, kas ievērojami paaugstina interferences maksimumu apgaismojumu un izšķirtspēju. Nozīmīgs parametrs ir difrakcijas režģa konstante – attālums starp šaurajām spraugām, kas labos režģos ir ap mikrometra (10^-6 m) lieluma kārtu. Interferences maksimumu pozīcijas uz ekrāna difrakcijas režģa gadījumā apraksta formula:

$$dsin\varphi_{m}=m\lambda,$$

kur d – režģa konstante, φ – staru nolieces jeb difrakcijas leņķis, m = ±1, ±2, ±3, ... – maksimuma kārtas skaitlis, λ – gaismas viļņa garums. 

Difrakcijai ir fundamentāli nozīme, lai aprakstītu viļņu izplatīšanos telpā. Aplūkojot redzamo gaismu, difrakcija izskaidro daudzus efektus, kas neizriet no ģeometriskās optikas pieņēmuma par staru taisnvirziena izplatīšanos. Kā piemērus var minēt tumšu laukumu rašanos uz ekrāna vietām, kurām it kā vajadzētu būt apgaismotām, vai gaismas staru nokļūšana pozīcijās, kurās vajadzētu atrasties priekšmeta ēnai. Dažādi dabā un ikdienā sastopami objekti – atsevišķu dārgakmeņu veidi, tauriņu spārni, kompaktdisku virsmas un citi – darbojas kā difrakcijas režģi, kas atstarotajai gaismai rada krāsainas interferences ainas. Pateicoties radioviļņu difrakcijai, signāls no raidītāja līdz uztvērējam var tik pārraidīts lielos attālumos arī tad, ja tiešo redzamību bloķē lieli objekti. Līdzīgā veidā difrakcijas efekti ietekmē skaņas izplatīšanos, kā rezultātā arī skaņas viļņus ir iespējams detektēt tad, ja starp avotu un klausītāju atrodas šķēršļi.

Difrakcija ierobežo jebkuras optiskas sistēmas (acs, mikroskopa, teleskopa) maksimālo izšķirtspēju. Tā kā sistēmas galīgo izmēru dēļ tajā nonāk tikai ierobežota viļņa daļa, spīdoša punkta attēls vienmēr ir izplūdis, kā rezultātā pārāk tuvi priekšmeta punkti attēlā var netikt izšķirti. Difrakcijas noteikto izšķirtspējas robežu apraksta Releja kritērijs, – divas difrakcijas ainas var izšķirt, ja vienas ainas centrālais maksimums sakrīt ar otras ainas pirmo minimumu un mazākais leņķiskais attālums starp diviem punktiem tādā gadījumā ir:

$$\varphi_{min}=1,22\frac{\lambda}{D},$$

kur φ_min – mazākais izšķiramais leņķiskais attālums, λ – starojuma viļņa garums, D – apertūras diametrs.

Lai nodrošinātu augstāku optisko instrumentu izšķirtspēju, nepieciešams pēc iespējas lielāks apertūras diametrs attiecībā pret izmantoto viļņa garumu, tādēļ teleskopiem tiek veidoti liela izmēra objektīvi, bet optisko mikroskopu objektīviem – liela skaitliskā apertūra. 

Difrakcija ir jāņem vērā, aplūkojot viļņu izplatīšanos telpā, tādēļ tai ir praktiska nozīme elektromagnētisko signālu pārraidē, optisku sistēmu izstrādē, telpu akustikas plānošanā un citos pielietojumos, kuros tiek izmantoti viļņi. Pētniecībā difrakcijas efekti ir īpaši nozīmīgi spektroskopijā un mikroskopijā.

Difrakcijas režģis ir spektrālo aparātu pamatelements baltas gaismas sadalīšanai spektrā. Tā kā staru nolieces leņķis ir atkarīgs no viļņa garuma, baltai gaismai izejot cauri vai atstarojoties no difrakcijas režģa, dažādās starojuma krāsas tiek telpiski atdalītas. Tādā veidā var noteikt gaismas avotu starojuma spektrālo sastāvu vai analizēt dažādu viļņu garumu absorbcijas, izkliedes vai emisijas procesus pētāmajā vielā. Šādi mērījumi ir spektroskopijas pamats, un tos izmanto ne tikai zinātniskos pētījumos materiālu sastāva un struktūras noteikšanai, bet arī produkcijas kvalitātes un ražošanas procesu uzraudzībā, vides piesārņojuma monitoringā, dozimetrijā, kriminālistikā, mākslas darbu analīzē un citur.

Rentgenstaru difrakcijas metode tiek plaši izmantota kristālu atomārās struktūras analīzē. Tā kā rentgenstaru viļņa garums ir samērojams ar attālumu starp atomiem cietvielās, to periodiskā kristāliskā struktūra darbojas kā difrakcijas režģis. Veicot rentgenstaru nolieces leņķu ainas analīzi pēc to atstarošanās no parauga, var iegūt informāciju par starpplakņu attālumiem, kas ļauj rekonstruēt atomu izkārtojumu pētāmajā vielā.