原子的電子運動狀態發生變化時發射或吸收的有特定頻率的電磁頻譜。原子光譜是一些線狀光譜，發射譜是一些明亮的細線，吸收譜是一些暗線。原子的發射譜線與吸收譜線位置精確重合。不同原子的光譜各不相同，氫原子光譜最為簡單，其他原子光譜較為復雜，最復雜的是鐵原子光譜。用色散率和分辨率較大的攝譜儀拍攝的原子光譜還顯示光譜線有精細結構和超精細結構，所有這些原子光譜的特征，反映了原子內部電子運動的規律性。
闡明原子光譜的基本理論是量子力學。原子按其內部運動狀態的不同，可以處于不同的定態。每一定態具有一定的能量，它主要包括原子體系內部運動的動能、核與電子間的相互作用能以及電子間的相互作用能。能量最低的態叫做基態 ，能量高于基態的叫做激發態 ，它們構成原子的各能級（見原子能級）。高能量激發態可以躍遷到較低能態而發射光子，反之，較低能態可以吸收光子躍遷到較高激發態，發射或吸收光子的各頻率構成發射譜或吸收譜。量子力學理論可以計算出原子能級躍遷時發射或吸收的光譜線位置和光譜線的強度。