紅外光譜對樣品的適用性相當廣泛，固態、液態或氣態樣品都能應用，無機、有機、高分子化合物都可檢測。此外，紅外光譜還具有測試迅速，操作方便，重復性好，靈敏度高，試樣用量少，儀器結構簡單等特點，因此，它已成為現代結構化學和分析化學最常用和不可缺少的工具。紅外光譜在高聚物的構型、構象、力學性質的研究以及物理、天文、氣象、遙感、生物、醫學等領域也有廣泛的應用。
紅外吸收峰的位置與強度反映了分子結構上的特點，可以用來鑒別未知物的結構組成或確定其化學基團；而吸收譜帶的吸收強度與化學基團的含量有關，可用于進行定量分析和純度鑒定。另外，在化學反應的機理研究上，紅外光譜也發揮了一定的作用。但其應用最廣的還是未知化合物的結構鑒定。
紅外光譜不但可以用來研究分子的結構和化學鍵，如力常數的測定和分子對稱性的判據，而且還可以作為表征和鑒別化學物種的方法。例如氣態水分子是非線性的三原子分子，它的v1=3652厘米、v3=3756厘米、v2=1596厘米而在液態水分子的紅外光譜中，由于水分子間的氫鍵作用，使v1和v3的伸縮振動譜帶疊加在一起，在3402厘米處出現一條寬譜帶，它的變角振動v2位于1647厘米。在重水中，由于氘的原子質量比氫大，使重水的v1和v3重疊譜帶移至2502厘米處，v2為1210厘米。以上現象說明水和重水的結構雖然很相近，但紅外光譜的差別是很大的。
紅外光譜具有高度的特征性，所以采用與標準化合物的紅外光譜對比的方法來做分析鑒定已很普遍，并已有幾種標準紅外光譜匯集成冊出版，如《薩特勒標準紅外光柵光譜集》收集了十萬多個化合物的紅外光譜圖。近年來又將些這圖譜貯存在計算機中，用來對比和檢索。
分子中的某些基團或化學鍵在不同化合物中所對應的譜帶波數基本上是固定的或只在小波段范圍內變化，例如，經常出現在1600～1750厘米，稱為羰基的特征波數。許多化學鍵都有特征波數，它可以用來鑒別化合物的類型，還可用于定量測定。由于分子中鄰近基團的相互作用（如氫鍵的生成、配位作用、共軛效應等），使同一基團在不同分子中所處的化學環境產生差別，以致它們的特征波數有一定變化范圍（見下表）。