Uma linha espectral é uma linha escura ou brilhante num espectro uniforme e contínuo, resultante de um excesso ou deficiência de fótons numa faixa de frequência estreita, em comparação com as frequências próximas.
As linhas espectrais são o resultado da interação entre um sistema quântico (geralmente átomos, mas às vezes moléculas ou núcleos atômicos) e fótons simples. Quando um fóton tem exatamente a energia certa para permitir uma mudança no estado energético do sistema (no caso de um átomo este é geralmente um orbital que muda de elétron), o fóton é absorvido. Então ele será reemitido espontaneamente, na mesma freqüência que o original ou em cascata, onde a soma das energias dos fótons emitidos será a mesma que a energia do absorvido. A direção dos novos fótons não estará relacionada com a direção de deslocamento do fóton original.
Dependente da geometria do gás, da fonte do fóton e do observador, será produzida uma linha de emissão ou uma linha de absorção. Se o gás estiver entre a fonte do fotão e o observador, será observada uma diminuição da intensidade da luz na frequência do fotão incidente, uma vez que os fotões reemitidos estarão na sua maioria em direcções diferentes da original. Esta será uma linha de absorção. Se o observador vir o gás, mas não a fonte original do fotão, então o observador verá apenas os fotões reemitidos em uma faixa estreita de frequência. Esta será uma linha de emissão.
As linhas de absorção e emissão são altamente específicas para átomos, e podem ser usadas para identificar facilmente a composição química de qualquer meio capaz de deixar passar a luz através dela (tipicamente é usado gás). Vários elementos foram descobertos por meios espectroscópicos — hélio, tálio, cério, etc. As linhas espectrais também dependem das condições físicas do gás, portanto são amplamente utilizadas para determinar a composição química de estrelas e outros corpos celestes que não podem ser analisados por outros meios, assim como suas condições físicas como temperatura.
O deslocamento do isômero é o deslocamento de uma linha de absorção devido ao fato dos núcleos absorventes terem densidades de s-eletrons diferentes das dos núcleos emissores.
Mecanismos diferentes da interação átomo-fóton podem produzir linhas espectrais. Dependendo da interação física exata (com moléculas, partículas únicas, etc.) a freqüência dos fótons envolvidos varia muito, e linhas podem ser observadas em todo o espectro eletromagnético, desde ondas de rádio até raios gama.
Astrônomos podem usar a luz de uma estrela filtrada através da atmosfera de um planeta para inferir a composição química do planeta para determinar se as condições para a vida são possíveis lá.