Чтобы достигнуть высоких энергетических показателей без предельно длинного пути, которые необходимы для линейных ускорителей, Э. О. Лоуренс сделал предложение (1932 г.), чтобы частицы были ускорены в небольшом пространстве, но при помощи магнитов их путь был цикличным, т.е. они стали двигаться по кругу. В циклотроне, который он изобрел, цилиндрический магнит сгибает траектории частиц, делая их круглыми, а их радиус зависит от массы частиц, их скорости, и силы магнитного поля.

Частицы ускоряются в пределах вакуума, который образуется внутри металлической коробки, которая расколота пополам, чтобы сформировать две секции, каждая в форме буквы D. Электрическое поле пропускается между двумя частями емкости так, чтобы каждый раз частица пересекла узкий перешеек, ее полярность была полностью изменена, и частица получила ускорение.

Ключ к простоте устройства циклотрона состоит в том, что период смены полярности частицы зависит от взаимосвязи радиуса пути и увеличения скорости движения частицы. Таким образом, переменное электрическое поле дает возможность частицам направляться наружу от центра циклотрона. Однако согласно теории относительности масса частицы увеличивается, как только ее скорость приближается к скорости света; следовательно, у частиц с высокими показателями энергии будет большая масса и меньше ускорения. Например, для протонов максимальная энергия, достижимая с обычным циклотроном, составляет приблизительно 10 миллионов электрон-вольт.