光譜學研究物質與電磁輻射的相互作用。當光照射到物質上時，會發生吸收、發射或散射。吸收或發射的模式揭示了物質的結構和組成。每種分子都有其獨特的光譜特徵。光譜學是化學、物理學和天文學中最強大的工具之一。

光譜技術有多種形式。紅外光譜法測量分子振動並識別官能基。紫外-可見光光譜法測量電子躍遷，用於定量分析濃度。核磁共振波譜法測量核自旋躍遷並確定分子結構。質譜法嚴格來說並非光譜學，但常被歸類為光譜學一類。 X射線光譜法測量內層電子躍遷。每種方法都利用電磁波譜的不同波段。

光譜學用於識別未知物質、量化濃度、研究反應動力學和確定分子結構。它在天文學中用於確定恆星和星系的組成。它在醫學中用於診斷疾病。它在環境監測中用於檢測污染物。它在法醫學中用於分析證據。

這些儀器的複雜程度各不相同。簡單的分光光度計測量的是單一波長下的吸光度。核磁共振波譜儀則利用超導磁體和無線電波。配備光譜儀的望遠鏡可以測量遙遠恆星的光譜。它們的共同原理是光與物質的相互作用。