A spektrális vonal egy sötét vagy világos vonal az egyébként egyenletes és folytonos spektrumban, amely egy szűk frekvenciatartományban a közeli frekvenciákhoz képest a fotonok többletéből vagy hiányából ered.
A spektrális vonalak egy kvantumrendszer (általában atomok, de néha molekulák vagy atommagok) és egyes fotonok közötti kölcsönhatás eredménye. Amikor egy foton pontosan a megfelelő energiával rendelkezik ahhoz, hogy a rendszer energiaállapotában változás következzen be (egy atom esetében ez általában egy elektron pályamódosítása), a foton elnyelődik. Ezután spontán újra kisugárzik, vagy az eredetivel azonos frekvencián, vagy kaszkádszerűen, ahol a kibocsátott fotonok energiáinak összege megegyezik az elnyelt foton energiájával. Az új fotonok iránya nem lesz kapcsolatban az eredeti foton haladási irányával.
A gáz, a fotonforrás és a megfigyelő geometriájától függően vagy emissziós vonal, vagy abszorpciós vonal keletkezik. Ha a gáz a fotonforrás és a megfigyelő között van, akkor a beeső foton frekvenciáján a fény intenzitásának csökkenése lesz tapasztalható, mivel a visszasugárzott fotonok többnyire az eredeti fotontól eltérő irányban fognak haladni. Ez lesz az abszorpciós vonal. Ha a megfigyelő a gázt látja, de az eredeti fotonforrást nem, akkor a megfigyelő csak a szűk frekvenciatartományban visszasugárzott fotonokat fogja látni. Ez lesz az emissziós vonal.
Az abszorpciós és az emissziós vonalak erősen atomspecifikusak, és könnyen azonosítható velük bármely olyan közeg kémiai összetétele, amely képes átengedni a fényt (jellemzően gázról van szó). Számos elemet fedeztek fel spektroszkópiai módszerekkel — hélium, tallium, cérium stb. A spektrális vonalak a gáz fizikai körülményeitől is függnek, ezért széles körben használják a csillagok és más, más eszközökkel nem elemezhető égitestek kémiai összetételének, valamint fizikai körülményeinek, például hőmérsékletének meghatározására.
Az izomereltolódás az abszorpciós vonal elmozdulása, ami annak köszönhető, hogy az elnyelő atommagok s-elektronsűrűsége eltér a kibocsátó atommagokétól.
Az atom-foton kölcsönhatáson kívül más mechanizmusok is létrehozhatnak spektrális vonalakat. A pontos fizikai kölcsönhatástól függően (molekulákkal, egyes részecskékkel stb.) az érintett fotonok frekvenciája nagymértékben változik, és a vonalak az egész elektromágneses spektrumban megfigyelhetők, a rádióhullámoktól a gammasugarakig.
A csillagászok egy bolygó légkörén átszűrt csillag fényéből következtethetnek a bolygó kémiai összetételére, hogy megállapítsák, lehetségesek-e ott az élet feltételei.