O linie spectrală este o linie întunecată sau luminoasă într-un spectru de altfel uniform și continuu, care rezultă dintr-un exces sau o deficiență de fotoni într-o gamă îngustă de frecvențe, în comparație cu frecvențele apropiate.
Liniile spectrale sunt rezultatul interacțiunii dintre un sistem cuantic (de obicei atomi, dar uneori molecule sau nuclee atomice) și fotoni individuali. Atunci când un foton are exact energia potrivită pentru a permite o schimbare a stării energetice a sistemului (în cazul unui atom, aceasta este de obicei un electron care își schimbă orbitalii), fotonul este absorbit. Apoi, acesta va fi emis din nou spontan, fie în aceeași frecvență ca și cel original, fie în cascadă, unde suma energiilor fotonilor emiși va fi aceeași cu energia celui absorbit. Direcția noilor fotoni nu va fi legată de direcția de deplasare a fotonului original.
În funcție de geometria gazului, a sursei de fotoni și a observatorului, se va produce fie o linie de emisie, fie o linie de absorbție. În cazul în care gazul se află între sursa de fotoni și observator, se va observa o scădere a intensității luminii în frecvența fotonului incident, deoarece fotonii reemiși vor fi în cea mai mare parte în direcții diferite de cea inițială. Aceasta va fi o linie de absorbție. Dacă observatorul vede gazul, dar nu și sursa originală de fotoni, atunci observatorul va vedea doar fotonii reemiși într-o gamă îngustă de frecvențe. Aceasta va fi o linie de emisie.
Liniile de absorbție și de emisie sunt foarte specifice atomilor și pot fi folosite pentru a identifica cu ușurință compoziția chimică a oricărui mediu capabil să lase lumina să treacă prin el (de obicei se folosește gazul). Mai multe elemente au fost descoperite prin mijloace spectroscopice – heliu, taliu, ceriu, etc. Liniile spectrale depind, de asemenea, de condițiile fizice ale gazului, astfel încât sunt utilizate pe scară largă pentru a determina compoziția chimică a stelelor și a altor corpuri cerești care nu pot fi analizate prin alte mijloace, precum și condițiile lor fizice, cum ar fi temperatura.
Deplasarea izomerilor este deplasarea unei linii de absorbție datorată faptului că nucleele absorbante au densități de electroni s diferite de cea a nucleelor emițătoare.
Mecanismele, altele decât interacțiunea atom-foton, pot produce linii spectrale. În funcție de interacțiunea fizică exactă (cu molecule, particule unice etc.), frecvența fotonilor implicați va varia foarte mult, iar liniile pot fi observate în tot spectrul electromagnetic, de la undele radio până la razele gamma.
Astronomii pot folosi lumina unei stele filtrată prin atmosfera unei planete pentru a deduce compoziția chimică a planetei, pentru a determina dacă acolo sunt posibile condiții pentru viață.