Cząsteczki wibrują. Ich wiązania rozciągają się, zginają i skręcają z określonymi częstotliwościami. Gdy światło podczerwone pada na cząsteczkę, jest absorbowane, jeśli jego częstotliwość jest zgodna z częstotliwością drgań. Rezultatem jest widmo w podczerwieni, czyli wykres absorbowanych częstotliwości. Każda grupa funkcyjna absorbuje z charakterystycznymi częstotliwościami, co czyni spektroskopię w podczerwieni skutecznym narzędziem do identyfikacji grup chemicznych.

Technika ta polega na przepuszczaniu światła podczerwonego przez próbkę i pomiarze jego absorpcji dla każdej długości fali. Uzyskane widmo wykazuje piki przy określonych liczbach falowych, zazwyczaj między 4000 a 400 cm^-1. Szeroki pik w okolicach 3300 cm^-1 wskazuje na wiązanie OH lub NH. Ostry pik w okolicach 1700 cm^-1 wskazuje na wiązanie C=O. Pik w okolicach 2200 cm^-1 wskazuje na wiązanie C≡N lub C≡C. Obszar odcisku palca poniżej 1500 cm^-1 jest złożony, ale unikalny dla każdej cząsteczki.

Spektroskopia w podczerwieni jest wykorzystywana w chemii organicznej do identyfikacji grup funkcyjnych, w kryminalistyce do analizy dowodów, w kontroli jakości farmaceutycznej do weryfikacji tożsamości leków oraz w monitoringu środowiska do wykrywania zanieczyszczeń. Jest szybka, nieniszcząca i wymaga minimalnego przygotowania próbki. W terenie wykorzystywane są przenośne spektrometry w podczerwieni.

Technika ta ma swoje ograniczenia. Nie pozwala na określenie pełnej struktury cząsteczki. Najlepiej stosować ją w połączeniu z innymi metodami, takimi jak jądrowy rezonans magnetyczny i spektrometria mas. Jednak w identyfikacji grup funkcyjnych nie ma sobie równych.