Spektrální čára je tmavá nebo světlá čára v jinak rovnoměrném a spojitém spektru, která je výsledkem přebytku nebo nedostatku fotonů v úzkém frekvenčním rozsahu ve srovnání s okolními frekvencemi.
Spektrální čáry jsou výsledkem interakce mezi kvantovým systémem (obvykle atomy, ale někdy i molekulami nebo atomovými jádry) a jednotlivými fotony. Když má foton přesně takovou energii, aby umožnil změnu energetického stavu systému (v případě atomu je to obvykle změna orbitalu elektronu), je foton absorbován. Poté se samovolně znovu vyzáří, a to buď ve stejné frekvenci jako původní, nebo v kaskádě, kde součet energií vyzářených fotonů bude stejný jako energie toho pohlceného. Směr nových fotonů nebude souviset se směrem pohybu původního fotonu.
V závislosti na geometrii plynu, zdroje fotonů a pozorovatele vznikne buď emisní, nebo absorpční čára. Pokud se plyn nachází mezi zdrojem fotonů a pozorovatelem, projeví se pokles intenzity světla ve frekvenci dopadajícího fotonu, protože reemitované fotony budou většinou ve směrech odlišných od původního. Bude se jednat o absorpční čáru. Pokud pozorovatel vidí plyn, ale ne původní zdroj fotonů, pak uvidí pouze reemitované fotony v úzkém frekvenčním rozsahu. To bude emisní čára.
Absorpční a emisní čáry jsou vysoce specifické pro jednotlivé atomy a lze je snadno použít k určení chemického složení jakéhokoli prostředí, které je schopno propouštět světlo (obvykle se používá plyn). Spektroskopickými metodami bylo objeveno několik prvků – helium, thallium, cer atd. Spektrální čáry také závisí na fyzikálních podmínkách plynu, takže se hojně využívají k určení chemického složení hvězd a jiných nebeských těles, které nelze analyzovat jinými prostředky, a také jejich fyzikálních podmínek, jako je teplota.
Izomerní posun je posun absorpční čáry v důsledku toho, že absorbující jádra mají jinou hustotu s-elektronů než jádra emitující.
Spektrální čáry mohou vznikat i jinými mechanismy než interakcí atom-foton. V závislosti na přesné fyzikální interakci (s molekulami, jednotlivými částicemi atd.) se frekvence zúčastněných fotonů značně liší a čáry lze pozorovat v celém elektromagnetickém spektru, od rádiových vln až po záření gama.
Astronomové mohou využít světlo hvězdy filtrované přes atmosféru planety k odvození chemického složení planety a určit, zda jsou na ní možné podmínky pro život.