石英晶振的工作原理主要基於石英晶體的壓電效應。當石英晶體受到壓力時，其表面會產生電荷，電荷量與外力成正比。反之，在石英晶體兩端施加電壓時，晶體也會產生機械變形。石英晶振的頻率穩定性取決於晶片的切割方式、尺寸和Q值（Q值越高，頻率越穩定）。
石英晶振的基本構成是從一塊石英晶體上切割下的薄片，兩面塗敷銀層作為電極，並焊上引線。在石英晶體振盪器中，晶體相當於一個電感，與靜電電容（C0）、動態電容（C1）、諧振電阻（R1）和動態電感（L1）等元件組成一個電路模型。要使晶振起振，需要藉助外部震盪電路，如串聯型或並聯型振盪電路。
在串聯型振盪電路中，石英晶體相當於一個電感，通過調節可變電容器（CL）的容量，可以使電路進入諧振狀態，輸出方波。在並聯型振盪電路中，晶振與晶片內部反相器相連，結合外部的匹配電容和電阻，組成一個皮爾斯震盪器。有源晶振不需要手動精確匹配外圍電路，而無源晶振則需要。