En spektrallinje är en mörk eller ljus linje i ett i övrigt enhetligt och kontinuerligt spektrum, som beror på ett överskott eller en underskott av fotoner i ett smalt frekvensområde jämfört med de närliggande frekvenserna.
Spektrallinjer är resultatet av växelverkan mellan ett kvantsystem (vanligtvis atomer, men ibland även molekyler eller atomkärnor) och enskilda fotoner. När en foton har exakt rätt energi för att möjliggöra en förändring i systemets energitillstånd (i fallet med en atom är detta vanligtvis en elektron som byter banor) absorberas fotonen. Därefter kommer den spontant att återutsändas, antingen i samma frekvens som den ursprungliga eller i en kaskad, där summan av energierna hos de utsända fotonerna kommer att vara densamma som energin hos den absorberade. De nya fotonernas riktning kommer inte att vara relaterad till den ursprungliga fotonens färdriktning.
Avhängigt av gasens geometri, fotonkällan och observatören kommer antingen en emissionslinje eller en absorptionslinje att produceras. Om gasen befinner sig mellan fotonkällan och observatören kommer en minskning av ljusintensiteten i den infallande fotonens frekvens att ses, eftersom de återutsända fotonerna mestadels kommer att vara i andra riktningar än den ursprungliga. Detta är en absorptionslinje. Om observatören ser gasen, men inte den ursprungliga fotonkällan, kommer observatören endast att se de fotoner som återutsänds i ett smalt frekvensområde. Detta kommer att vara en emissionslinje.
Absorptions- och emissionslinjer är mycket atomspecifika och kan användas för att enkelt identifiera den kemiska sammansättningen hos varje medium som kan låta ljus passera genom det (vanligtvis används gas). Flera grundämnen har upptäckts med spektroskopiska metoder – helium, tallium, cerium osv. Spektrallinjer beror också på gasens fysikaliska förhållanden, så de används i stor utsträckning för att bestämma den kemiska sammansättningen hos stjärnor och andra himlakroppar som inte kan analyseras på annat sätt, liksom deras fysikaliska förhållanden, t.ex. temperatur.
Isomerförskjutning är förskjutningen av en absorptionslinje på grund av att de absorberande atomkärnorna har en annan s-elektrontäthet än de emitterande atomkärnorna.
Andra mekanismer än atom-fotoninteraktion kan producera spektrallinjer. Beroende på den exakta fysiska interaktionen (med molekyler, enskilda partiklar etc.) kommer frekvensen av de inblandade fotonerna att variera kraftigt, och linjer kan observeras över hela det elektromagnetiska spektrumet, från radiovågor till gammastrålar.
Astronomer kan använda ljuset från en stjärna som filtreras genom en planets atmosfär för att härleda planetens kemiska sammansättning och på så sätt avgöra om det finns förutsättningar för liv där.