太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术是太赫兹光谱技术的典型代表，具有宽带宽、高信噪比、无损检测、瞬态特性以及可室温工作等特点。

最常见的THz-TDS系统有透射式和反射式系统，主要由飞秒激光器、太赫兹辐射产生装置和相应的探测装置，以及时间延迟控制系统组成。飞秒激光脉冲经过分束镜后被分为泵浦脉冲和探测脉冲。前者入射到太赫兹辐射产生装置上激发产生太赫兹脉冲，这些辐射经过相关光路从样品透射或者反射之后与另一延时的探测光在检测晶体相遇会对探测光的偏振产生调制，可通过自由空间采样技术记录通过样品后的时域太赫兹电场强度变化，再经傅里叶变换得到频域的太赫兹光谱。

在THz-TDS系统中，常用的太赫兹脉冲产生方法有：光导天线（如低温生长GaAs）、光整流（如ZnTe晶体）、半导体表面辐射（如InAs），以及空气等离子体产生等。探测脉冲并不通过样品，其作用为实现取样测量的探测门脉冲，经过时间延迟系统后和通过样品后的太赫兹脉冲一同共线入射到太赫兹探测装置上，通过控制时间延迟系统来调节泵浦脉冲和探测脉冲之间的时间延迟，便可用逐点扫描的方式得到太赫兹脉冲的时域波形。对应的探测方法主要有：光导天线探测、自由空间电光取样探测（如ZnTe、GaP晶体），以及空气等离子体探测等。

与用连续非相干源的傅里叶变换光谱测量不同，那里测量的是太赫兹电场的自相关信号，而太赫兹时域光谱技术直接测量太赫兹脉冲的电场强度，因此可同时提供太赫兹电场的振幅和相位信息，使得其在研究材料特性时无须使用克拉默斯-克勒尼希关系就能获取材料在太赫兹波段的复光学常数（如复折射率，复介电函数、复电导率等）。太赫兹时域光谱不仅能够获得很低能量区间的光谱测量，更重要的是通过对超快激光的分束能够实现不同能量激光泵浦后的时间分辨的太赫兹光谱测量。近红外泵浦-太赫兹探测、中红外泵浦-太赫兹探测、太赫兹泵浦-太赫兹探测等时间分辨测量已成为当代光谱技术的重要发展方向，通过泵浦-探测技术可对基础科学，如物理学、化学和生物学中的超快现象进行时间分辨的测量和分析。