如果要到达更高的能量，约十亿电子伏特（billion eV or GeV），必须使用同步加速器。同步加速器将粒子置于环形的真空管中，称为储存环。储存环有许多的磁铁装置用以聚焦粒子以及让粒子在储存环中转弯，用微波（高频）共振腔提供电场将粒子加速。
带电粒子在直线中加速，运行到加速器的末端。较低能量的加速器例如阴极射线管及X光产生器，使用约数千伏特的直流电压（DC）差的一对电极板。在X光产生器的靶本身是其中一个电极。此加速方式由利奥·西拉德提出，最后由Rolf Wider?e在1928年成功做出第一台实验装置。
较高能的直线加速器使用在一直线上排列的电极板组合来提供加速电场。当带电粒子接近其中一个电极板时，电极板上带有相反电性的电荷以吸引带电粒子。当带电粒子通过电极板时，电极板上变成带有相同电性的电荷以排斥推动带电粒子到下一个电极板。为了能让粒子持续加速通过，科学家通常会把电极版设计成电极环。所以，带电粒子束加速时，必须小心控制每一个环上的交流（AC）电压，让每一个带电粒子束可以持续加速。由于粒子速度越来越快，要保持电场加速粒子效率，电击环的长度必须越来越长使电场作用在粒子的时间提高。为了保持粒子运动轨迹的稳定性，通常会使用一连串的四极电磁铁(Quadrupole magnets)强制让粒子束往中心方向聚集。
当粒子接近光速时，会由于相对论效应粒子会将电能转成质能，电场的转换速率必须变得相当高以抵抗相对论效应，须使用微波（高频）共振腔来运作加速电场。
直线加速器由于高电压的运作，会使仪器表面有感应电荷存在，这不只会造成实验误差，更造成安全上的漏电，甚至这些在金属仪器表面的电能会转成更危险的热能，这造成了直线加速器必须有极限电压以保安全。加上仪器尺寸过大，高电压运作的电费更是一大负担。于是在直线加速器之后，科学家基于成本和安全要求发明了回旋加速器(Cyclotron)。劳伦兹(Ernest Lawrence)发明了回旋加速器并在1939年荣获诺贝尔物理奖。
虽然直线加速器有成本和安全的缺点，但是和现今的粒子加速器比较的话，它还是有高功率(短时间将粒子加速到相对论状态)和高数量输出的优点。直线加速器也被称为Linac（LinearAccelerator的简称）。
在美国，粒子加速器开始在一些大医院建造，以用于治疗癌症。目前美国、日本、俄罗斯、德国、意大利等国皆已拥有以质子进行治疗的加速器，而使用碳离子进行治疗的最新技术设备，世界上则只有八座，分别是：中国兰州中科院近代物理所、SH市质子重离子医院、德国海德堡大学离子治疗中心、意大利帕维亚大学国立强子肿瘤治疗中心、日本千叶县医用重离子加速器、兵库县立粒子线医学中心、群马大学重粒子线医学研究中心和九州国际重粒子线癌症治疗中心。
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