Linia widmowa to ciemna lub jasna linia w skądinąd jednolitym i ciągłym widmie, wynikająca z nadmiaru lub niedoboru fotonów w wąskim zakresie częstotliwości, w porównaniu z pobliskimi częstotliwościami.
Linie spektralne są wynikiem interakcji między systemem kwantowym (zwykle atomy, ale czasami molekuły lub jądra atomowe) i pojedynczych fotonów. Gdy foton ma dokładnie taką energię, która umożliwia zmianę stanu energetycznego układu (w przypadku atomu jest to zwykle elektron zmieniający orbitale), foton zostaje zaabsorbowany. Następnie zostanie on spontanicznie wyemitowany ponownie, albo w tej samej częstotliwości co oryginał, albo kaskadowo, gdzie suma energii fotonów wyemitowanych będzie taka sama jak energia fotonu zaabsorbowanego. Kierunek nowych fotonów nie będzie związany z kierunkiem przemieszczania się oryginalnego fotonu.
Zależnie od geometrii gazu, źródła fotonu i obserwatora, powstanie albo linia emisji albo linia absorpcji. Jeżeli gaz znajduje się pomiędzy źródłem fotonów a obserwatorem, to zaobserwujemy spadek natężenia światła w częstotliwości padającego fotonu, ponieważ reemitowane fotony będą w większości w kierunkach innych niż oryginalny foton. Będzie to linia absorpcji. Jeśli obserwator widzi gaz, ale nie widzi oryginalnego źródła fotonów, wtedy obserwator będzie widział tylko fotony reemitowane w wąskim zakresie częstotliwości. Będzie to linia emisyjna.
Linie absorpcyjne i emisyjne są bardzo specyficzne dla danego atomu i mogą być wykorzystane do łatwej identyfikacji składu chemicznego dowolnego medium zdolnego do przepuszczania światła (zazwyczaj używa się gazu). Kilka pierwiastków zostało odkrytych za pomocą spektroskopii – hel, tal, cer, itd. Linie spektralne zależą również od warunków fizycznych gazu, więc są one szeroko stosowane do określania składu chemicznego gwiazd i innych ciał niebieskich, które nie mogą być analizowane za pomocą innych środków, jak również ich warunków fizycznych, takich jak temperatura.
Przesunięcie izomeryczne jest przesunięcie linii absorpcyjnej z powodu jąder absorbujących o różnych gęstościach s-elektronów z jąder emitujących.
Mechanizmy inne niż atom-foton interakcji może produkować linie spektralne. W zależności od dokładnej interakcji fizycznej (z cząsteczkami, pojedynczymi cząsteczkami itp.) częstotliwość fotonów będzie się znacznie różnić, a linie można obserwować w całym spektrum elektromagnetycznym, od fal radiowych do promieniowania gamma.
Astronomowie mogą wykorzystać światło gwiazdy przefiltrowane przez atmosferę planety, aby wywnioskować skład chemiczny planety i określić, czy są tam możliwe warunki do powstania życia.