Synchrotron, podobnie jak cyklotron, jest urządzeniem służącym do przyśpieszania cząstek naładowanych, przy czym energie kinetyczne ładunków, które uzyskiwane są przy pomocy tego akceleratora cyklicznego są znacznie większe niż energie uzyskiwane w zwykłym cyklotronie.
W przypadku dużych prędkości, stanowiących co najmniej 10% prędkości absolutnej, efekty relatywistyczne, wynikające ze szczególnej teorii względności, są na tyle duże, że powodują, zmianę częstotliwość obiegu ładunku elektrycznego w akceleratorze.
Relatywistyczny wzrost masy ciała (w tym przypadku ładunku) powoduje, że okres obiegu cząstki staje się coraz większy, co w zwykłym cyklotronie doprowadziłoby do takiej sytuacji, w której ładunek nie nadążałby za zmianami kierunku pola elektrycznego, które zachodzą ze stałą częstotliwością cyklotronową.
W synchrotronie problem ten został rozwiązany poprzez możliwość zmian częstotliwości generowanego napięcia, przyspieszającego ładunki oraz poprzez zmiany wartości indukcji pola magnetycznego. Przy odpowiednio dobranych wartościach częstotliwości i indukcji pola ładunki elektryczne poruszają się z częstotliwością równą częstotliwości generowanego napięcia, co sprawia, że są one ciągle przyspieszane.
W przypadku synchrotronu ładunki poruszają się po torze kołowym, a nie po torze spiralnym jak miało to miejsce w przypadku cyklotronu. Powoduje to, że obszar, na który musi oddziaływać pole magnetyczne może być znacznie mniejszy.