Fou observat per primera vegada per A.H. Compton i, simultàniament i independentment, per P.J.W. Debye, el 1923. El fenomen s’esdevé en incidir un feix de radiació de freqüència ν sobre una làmina material; hom observa que la radiació difosa té una freqüència menor, ν'
Segons la teoria clàssica de la difusió de la radiació, les càrregues dels àtoms de la làmina haurien d’oscil·lar a la freqüència incident ν, i reemetre, consegüentment, radiació de la mateixa freqüència ν; la teoria clàssica no explica, per tant, la disminució de freqüència observada experimentalment, o per dir-ho d’una altra manera, l’augment de la longitud d’ona. Aquest augment pot ésser explicat en termes de col·lisions fotó-electró. En efecte, hom considera que la radiació incident, de freqüència ν, és un feix de fotons d’energia E=hν i de quantitat de moviment (moment) p, de mòdul p=h/λ, on h és la constant de Planck i λ la longitud d’ona incident, λ=c/ν. En col·lidir elàsticament amb un electró de la làmina, suposat inicialment en repòs, el fotó és difós amb un moment p', que correspon a una longitud d’ona més gran, λ’, per tal com en la col·lisió perd una part d’energia que es transforma en l’energia de retrocés de l’electró.
L'angle de difusió φ és l’angle definit per les direccions dels moments p i p'. De l’aplicació de la cinemàtica relativista a aquesta col·lisió i, més exactament, d’aplicar-hi la conservació de l’energia i de la quantitat de moviment, resulta que la longitud d’ona del feix difós, λ’, difereix de la incident, λ, per la quantitat Δλ=λ'-λ = (h/mec) (1-cosφ), on me és la massa de l’electró i c la velocitat de la llum en el buit. L’augment Δλ no depèn de la longitud d’ona incident sinó només de la massa de la partícula fitó, en aquest cas l’electró, i de l’angle de difusió. L’increment Δλ és de l’ordre de la quantitat λΧ=h/mec, que és anomenada longitud d’ona de Compton, i el valor de la qual és λΧ=0,024 Å; λΧ és una característica de l’electrodinàmica quàntica. El fet que l’efecte Compton pogués ésser explicat gràcies al concepte de fotó confirmà la validesa de la teoria corpuscular de la llum.