Циклотрон относится к циклических ускорителям, построенным на принципе резонанса электромагнитного поля ускорителя с частотой разгоняемых частиц. Собственно циклотрон отличается от других популярных разновидностей этого типа устройств, в частности, микротрона, тем, что при том же условии сохранения постоянной частоты электрического и магнитного поля внутри циклотрона, траектория частиц в нем имеет форму лежащей разворачивающейся спирали.

Более старая разновидность циклотрона, в котором магнитное поле размещено симметрично азимуту движения частиц (так называемое азимутальносимметричное поле), тяжелые частицы, для разгона которых и предназначен циклотрон, разгонялись лишь до скоростей заметно ниже скорости света. После появления циклотронов с вариацией по азимуту (так называемые «изохронные циклотроны») стало возможным ускорение частиц до намного больших энергий.

При этом, первый вариант конструкции циклотрона был предложен еще Э.Лоуренсом около 1932 года, и тогда же он получил на устройстве первые предполагавшиеся результаты.

Внутреннее устройство циклотрона тесно связано с ролью так называемых дуантов – электродов, которые возбуждаются высокочастотным полем с высоким напряжением. В результате этого тяжелые частицы (ионы) активно переходя в высоковакуумной камере с одного дуанта на другой, причем такой переход происходит множество раз. Частицы двигаются не однообразно, а туда – сюда между дуантами.

Ускоряющее поле воздействует на ионы только в момент перехода от дуанта к дуанту. Именно в этот момент разгоняющее поле циклотрона должно приобрести необходимое направление и иметь достаточно большую величину для резонансного ускорения высокоэнергетичной частицы.