当光照射到物质上时会发生散射，单色光束的光子与分子相互作用时可发生弹性碰撞和非弹性碰撞。在弹性碰撞过程中，光子与分子之间没有能量交换，光子只改变运动方向而不改变频率，这种散射过程称为瑞利散射。而在非弹性碰撞过程中，光子与分子之间发生能量交换，光子不仅仅改变了运动方向，同时光子的一部分能量会传递给分子，或者分子的振动和转动能量传递给光子，从而改变了光子的频率，这种散射过程称为拉曼散射。由非弹性散射引起含有其他频率的散射光现象称为拉曼效应。拉曼散射效应是光子撞击分子产生极化而造成的，这种极化是分子内外电子云的变形。利用拉曼光谱可以研究分子的震动或转动能级，进而探讨分子的结构。拉曼散射信号的强度非常弱，约为入射光强度的10^-6或更低，瑞利散射信号的强度约为入射光强度的10^-3。

在拉曼散射发生的过程中，光子失去能量的过程对应于频率减小的斯托克斯（Stokes）拉曼散射；光子得到能量的过程对应于频率增加的反斯托克斯拉曼散射。斯托克斯线和反斯托克斯线与入射光频率之差称为拉曼位移或拉曼频移。拉曼位移的大小与入射光频率无关，而与样品的分子的能级结构有关，因此入射光的能量应大于分子振动跃迁所需的能量，小于电子能级跃迁的能量。拉曼光谱可反映物质分子的振动能级和转动特征。与红外光谱一样可提供分子结构的信息。不同的是，拉曼光谱来源于电磁辐射场（光）与分子诱导偶极的相互作用，是由具有对称分布的键的对称振动引起的。而红外光谱来源于分子偶极矩变化，是由分子的不对称振动引起的。两种技术包含的信息通常是互补的。当原子间的某个键产生一个很强的红外信号时。对应的拉曼信号则较弱甚至没有，反之亦然。因此，两种方法互相配合，可作为判断化合物结构的重要手段。

每一种物质（分子）有自己的特征拉曼光谱，拉曼光谱中的振动频率能够确定原子团和化学键的特性，也称为特征拉曼频率。拉曼散射光的强度与散射物质的性质有关。在拉曼光谱中常使用波数来表示特征频率，它与频率及波长的关系如下：

式中为电磁波的速度。波数的单位是每厘米（cm^-1），即1厘米长度所含波的数目。斯托克斯线和反斯托克斯线的拉曼波数差通常是对称的位于瑞利线两侧。斯托克斯线和反斯托克斯线统称为拉曼谱线。通常情况下，分子绝大多数处于振动能级基态，所以，斯托克斯线的强度远远强于反斯托克斯线。拉曼光谱除了频率（或波长、波数）和强度两个基本参数外，还具有一个去偏振度，以它来衡量分子振动的对称性。

1928年，印度物理学家C.V.拉曼（Raman）首先用苯在实验上证实了这种散射的存在，故称拉曼光谱。为此，拉曼获得了1930年度的诺贝尔物理奖。与此同时，苏联物理学家G.兰茨贝格（Landsberg）和L.曼德尔施塔姆（Mandelstam）在研究石英晶体的散射谱时，也观察到这一现象。早期的拉曼光谱测试采用汞弧灯作为激发光源，对样品有苛刻的要求。1960年激光器诞生后，由于激光的高强度以及良好的单色性和方向性，使得拉曼光谱的研究有了很大的发展。20世纪90年代开始，一种称为全息布拉格衍射滤波器引入拉曼光谱系统，可以在抑制瑞利散射线的同时提高拉曼信号的检测灵敏度。拉曼光谱已实现了小型化，并具有微区分析能力（1～2微米），和超快的时间分辨技术（纳秒、皮秒和飞秒的时间分辨），可以用来研究原子、分子的瞬态动力学过程。拉曼光谱技术具有非破坏性，几乎不需要样品制备，可直接测定气体、液体和固体样品。因此，拉曼光谱的应用遍及化学、物理学、生物学、材料科学、医学、文物学、法庭科学、宝石鉴定即无损检测技术等科学领域。