LCLS施設は、高エネルギーの電子ビームを生成する2キロメートルの長さの線形加速器で構成されています。次に、これらの電子は一連のアンデュレーター磁石に向けられ、コヒーレントで同期した方法でX線を放出します。得られたX線レーザーパルスは非常に短く、数枚のフェムト秒しか持続しません（1つのフェムト秒は10億分の1秒の100万分の1です）。
LCLSのユニークな機能の1つは、非常に高い空間的コヒーレンスでX線レーザーパルスを生成する機能です。これは、レーザービーム内の光の波が正確に同期され、科学者が原子と分子の詳細な画像を取得できることを意味します。この一貫性のレベルは、タンパク質の構造を決定したり、化学反応のダイナミクスをリアルタイムで研究するなど、多くの科学的実験に不可欠です。
LCLSは、さまざまな科学分野で画期的な発見をするために使用されています。たとえば、研究者は、前例のない細部にウイルスとタンパク質の原子構造を観察し、化学反応中の原子の動きを追跡し、極端な条件下での材料の挙動を理解することができました。
科学的アプリケーションに加えて、LCLSは芸術的な目的にも使用されています。 2016年、SLACとカリフォルニア大学バークレー校の科学者グループは、LCLS生成されたX線レーザーパルスを使用してMona Lisaのナノスケールの肖像画を作成しました。これまでに作成された有名なアートワークの最も小さな描写である肖像画は、サイズが3マイクロメートル（1マイクロメートルは100万分の1メートル）のみです。
