转动光谱是分子在同一电子态和振动能级的不同转动能级间跃迁产生的线状光谱，其能量差对应远红外至微波区（波长0.3~3mm）。此类光谱仅出现在气态分子中，因液态或固态分子受分子间作用力限制无法自由转动。量子力学中，刚性双原子分子模型表明转动能量由
转动量子数J和
转动惯量I量化，跃迁遵循ΔJ=±1的
选择定则，导致相邻谱线波数差恒定（2B）且频率呈等间距分布。
分子吸收适宜的光子后，则发生转动能级的跃迁，而产生转动光谱。分子转动能级的跃迁所需能量很小，约为41.84~418.4J/mol，相应的波长0.3~3mm，纯粹的转动光谱只能在电磁波谱的远红外区及微波区。
分子的转动能，主要取决于分子的几何形状、质量等。它仅对气体才有意义，因为气体分子可以自由移动，而对于液体、固体，则由于分子间作用力较大妨碍分子转动，以致通常观察不到它们的转动光谱，又由于它们处于远红外及微波区，故在化学上应用不广。体系的转动能量Er是量子化的,对于一个刚性的双原子分子,在围绕通过其质心且与原子核连线成正交的一个轴线转动的情况下，其能量值为：
式中是转动常数，h是普朗克常数,c是光速,I是分子绕轴旋转的转动惯量,J是与转动态对应的转动
量子数，它可以取0,1,2,…一系列整数。由此可以得到一系列分立的能级（见图）。当转子从较低的能级(J″)跃迁到较高的能级(J′)时，吸收光量子，从而产生纯转动的吸收光谱。跃迁时的选择要求为： ΔJ=±1
此式说明纯转动光谱是由一系列等间距的，频率为2B、4B、6B、…的谱线所组成。两条相邻谱线的波数差等于常数2B。非刚性双原子分子和多原子分子的纯转动光谱则要复杂得多。