Das Zyklotron besteht aus einem großen Elektromagnet, zwischen dessen Polen sich eine flache runde Vakuumkammer befindet. In dem Inneren der Kammer befinden sich 2 halbkreisförmige Metallkammern (Dees, Duanden), zwischen denen sich der Beschleunigungsspalt und die Ionenquelle befindet. Am Rand der Kammer ist ein Ablenkkondensator angebracht, der zur Lenkung auf ein bestimmten Absicht dient.

An der in der Mitte der Kammer befindliche Ionenquelle werden durch Beschuss eines feinen Strahl Gases mit Elektronen einer Glühkathode positiv geladene Ionen erzeugt.

Gleichzeitig wird an die Dees eine hochfrequente Wechselspannung angelegt. Durch diese werden die Ionen zum negativ geladenen Dee beschleunigt. Sobald sie in diesen eingedrungen sind, werden sie nicht mehr von dem elektrischen Feld (Faradaykäfig), jedoch von dem Elektromagnet beeinflusst und beschreiben durch die Lorentzkraft einen Halbkreis, bis sie den Dee wieder verlassen. Nun werden sie durch die Beschleunigungsspannung, die sich inzwischen umgekehrt hat, so dass nun der andere Dee negativ geladen ist, beschleunigt, bis sie wieder in den Dee eindringen. Durch die größer werdende Kreisbahn bleibt die Umlaufzeit trotz wachsender Geschwindigkeit konstant. Daher kann die Beschleunigungsspannung während des gesamten Vorgangs konstant bleiben.

Schließlich werden die Elektronen durch ein elektrisches Auslenkfeld (Kondensator) aus den Dees heraus auf die Absicht gelenkt.

• Die maximale Teilchenenergie moderner Zyklotrons liegt bei ungefähr 100 MeV.
• Aufgrund relativistischer Effekte ist es nicht möglich, die Teilchen auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, es können ca. 10 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreicht werden, da sonst die Masse des Elektrons zunehmen würde und damit wäre eine relativistische Rechnung erforderlich.
• Durch die gekrümmte Bahn geht ein Teil der Energie der Teilchen verloren.siehe auch: Zyklotronfrequenz