Принцип их действия сформулировали практически одновременно в 1944 г. советский учёный Владимир Иосифович Векслер и годом позже американец Эдвин Маттисон Макмиллан.

В переменном магнитном поле синхротрона частицы движутся, повторяя одну и ту же замкнутую траекторию и много раз проходя прямолинейные промежутки с ускоряющим электрическим полем радиочастотного диапазона. Частицы, постоянно увеличивающие свою энергию, удерживаются на этой траектории нарастающим полем отклоняющих, в том числе сверхпроводящих, кольцевых магнитов.

Чтобы частицы удерживались, темп нарастания поля синхронизован с темпом нарастания энергии частиц. Когда магнитное поле достигнет своего максимума, частицы или отправляются на фиксированный неподвижный объект – мишень, или, как в коллайдерах, сталкиваются со встречным пучком, и затем цикл ускорения повторяется.
Синхротроны имеют два типа чередующихся кольцевых магнитов - отклоняющие двухполюсные, или дипольные и фокусирующие четырёхполюсные, или квадрупольные. Дипольные магниты удерживают частицы на орбите, квадрупольные фокусируют частицы по тому же принципу, как линзы свет, собирая их в узкий пучок, циркулирующий в вакуумной камере.