En spektrallinje er en mørk eller lys linje i et ellers ensartet og kontinuerligt spektrum, som skyldes et over- eller underskud af fotoner i et snævert frekvensområde i forhold til de nærliggende frekvenser.
Spektrallinjer er resultatet af vekselvirkningen mellem et kvantesystem (normalt atomer, men undertiden også molekyler eller atomkerner) og enkelte fotoner. Når en foton har præcis den rette energi til at muliggøre en ændring i systemets energitilstand (i atomers tilfælde er det normalt en elektron, der skifter orbitaler), absorberes fotonen. Derefter vil den spontant blive genudsendt, enten med samme frekvens som den oprindelige eller i en kaskade, hvor summen af energierne af de udsendte fotoner vil være den samme som energien af den absorberede foton. Retningen af de nye fotoner vil ikke være relateret til den oprindelige fotons bevægelsesretning.
Afhængigt af gassens geometri, fotonens kilde og observatøren vil der enten blive produceret en emissionslinje eller en absorptionslinje. Hvis gassen befinder sig mellem fotonkilden og observatøren, vil man se et fald i lysintensiteten i den indfaldende fotonens frekvens, da de reemitterede fotoner for det meste vil være i andre retninger end den oprindelige foton. Dette vil være en absorptionslinje. Hvis observatøren ser gassen, men ikke den oprindelige fotonkilde, vil observatøren kun se de fotoner, der genudsendes i et snævert frekvensområde. Dette vil være en emissionslinje.
Absorptions- og emissionslinjer er meget atomspecifikke og kan bruges til let at identificere den kemiske sammensætning af ethvert medium, der er i stand til at lade lys passere gennem sig (typisk anvendes gas). Flere grundstoffer blev opdaget med spektroskopiske midler — helium, thallium, cerium osv. Spektrallinjer afhænger også af gassens fysiske forhold, så de bruges i vid udstrækning til at bestemme den kemiske sammensætning af stjerner og andre himmellegemer, som ikke kan analyseres på anden vis, samt deres fysiske forhold som f.eks. temperatur.
Isomerskift er forskydningen af en absorptionslinje som følge af, at de absorberende kerner har en anden s-elektrontæthed end de emitterende kerner.
Andre mekanismer end atom-foton-interaktion kan frembringe spektrallinjer. Afhængigt af den nøjagtige fysiske vekselvirkning (med molekyler, enkelte partikler osv.) vil frekvensen af de involverede fotoner variere meget, og linjer kan observeres over hele det elektromagnetiske spektrum, fra radiobølger til gammastråler.
Astronomer kan bruge lyset fra en stjerne filtreret gennem en planets atmosfære til at udlede planetens kemiske sammensætning for at afgøre, om der er mulighed for liv på planeten.