量子力学揭示了一个重要的现象，即分子的振动和转动能量并非连续，而是呈现出量子化的特性。红外光谱研究的正是这些分立的能量状态，它们对应于特定的能量状态或能级。以双原子分子为例，其振动能量Ev可以通过简谐振动的模型来近似表示，公式为：
Ev = h * v
其中，h 是普朗克常数，v 是振动量子数（仅整数）, v0 是简谐振动的频率。当量子数v 为0时，分子处于最低能量状态，称为基态。当基态分子被频率为v0 的红外光照射，会吸收能量为hv0 的光量子，跃迁至第一激发态，形成频率为v0 的红外吸收带。同样，激发态分子通过发射频率为v0 的红外光，可返回基态。
分子的大小与红外谱带的数量密切相关。比如，一个包含12个原子的分子，其简正振动可能有30种，相应地，基频谱带就有30条。除此之外，还可能出现强度较弱的倍频、合频和差频谱带，以及由于振动能级间微扰效应导致的复杂红外光谱。如果假定分子为刚性转子，其转动能量Er则由以下公式决定：
Er = j * i
其中，j 为转动量子数，i 是刚性转子的转动惯量。转动能级间的跃迁会形成转动光谱。在振动跃迁过程中，常常伴随转动跃迁，从而使得振动光谱呈现出带状结构。
红外光谱 (Infrared Spectroscopy, IR) 的研究开始于 20 世纪初期，自 1940 年商品红外光谱仪问世以来，红外光谱在有机化学研究中得到广泛的应用。近几十年来一些新技术 (如发射光谱、光声光谱、色——红联用等) 的出现，使红外光谱技术得到更加蓬勃的发展。