Phổ khối lượng xác định các phân tử dựa trên khối lượng của chúng. Mẫu được hóa hơi, ion hóa và gia tốc qua từ trường hoặc điện trường. Các ion tách ra dựa trên tỷ lệ khối lượng trên điện tích của chúng. Một bộ детектор ghi lại lượng của mỗi ion. Kết quả là một phổ khối lượng, một đồ thị biểu diễn cường độ theo tỷ lệ khối lượng trên điện tích. Đây là một trong những kỹ thuật phân tích nhạy bén và linh hoạt nhất hiện có.

Thiết bị này gồm nhiều thành phần. Nguồn ion chuyển đổi các phân tử thành ion, thường bằng phương pháp va chạm electron hoặc ion hóa phun điện. Bộ phân tích khối lượng tách các ion bằng công nghệ thời gian bay, tứ cực hoặc bẫy ion. Bộ dò đếm số ion. Máy tính xử lý dữ liệu. Phổ khối lượng song song, hay MS/MS, phân mảnh các ion và phân tích các mảnh vỡ, cung cấp thông tin cấu trúc.

Phổ khối lượng được sử dụng trong hóa học, sinh học, y học và khoa học môi trường. Nó xác định các hợp chất chưa biết, định lượng thuốc và chất chuyển hóa trong máu, phát hiện chất gây ô nhiễm trong nước và giải trình tự protein. Nó được sử dụng trong kiểm soát doping, pháp y và an toàn thực phẩm. Nó có thể phát hiện các phân tử ở mức attomole, tức là vài trăm nghìn phân tử.

Kỹ thuật này đòi hỏi sự chuẩn bị mẫu cẩn thận và hiệu chuẩn thiết bị. Nó không hề rẻ. Nhưng về độ nhạy và độ đặc hiệu, khó có kỹ thuật nào sánh được. Nó là công cụ chủ lực trong hóa phân tích.