Lo scattering Compton avviene su elettroni liberi non legati al nucleo, contrariamente all'effetto fotoelettrico. Tuttavia se l'energia del fotone è alta rispetto all'energia di legame, questa si può trascurare in modo da considerare gli elettroni come liberi.
Nell'interazione, il fotone di energia hn trasferisce ad un elettrone, che si suppone fermo, parte della sua energia e del suo impulso. Come risultato si avrà un fotone diffuso ad un angolo q con un energia hn', e l'elettrone deflesso ad un angolo f con energia cinetica T.
Applicando la legge di conservazione dell'energia e della quantità di moto si ottiene l'energia del fotone diffuso:

La sezione d'urto totale per effetto Compton è data da:

dove  g = hn/m_ec² , r_e e m_e sono raggio e massa dell'elettrone.
Tale sezione d'urto si può decomporre in due termini : il primo s_a è la sezione d'urto d'assorbimento Compton, che è proporzionale all'energia media trasferita all'elettrone di rinculo, mentre il secondo s_s è proporzionale alla frazione di energia totale del fotone diffuso. Pertanto:

s_Comp= s_a+s_s

Nella figura sottostante si può vedere l'andamento delle sezioni d'urto s_Comp, s_a e s_s per il piombo.

Come si vede la sezione d'urto complessiva per effetto Compton decresce all'aumentare dell'energia del fascio.