旋轉光譜與測量氣相中分子的量化旋轉狀態之間的躍遷能量有關。極性分子的光譜可以通過微波光譜或遠紅外光譜在吸收或發射中測量。非極性分子的旋轉光譜不能用這些方法觀察到，但可以用拉曼光譜觀察和測量。旋轉光譜有時被稱為純旋轉光譜，以區別于旋轉振動光譜，其中旋轉能量的變化與振動能量的變化一起發生，也來自旋轉振動光譜（或只是振動光譜），其中旋轉，振動和電子能量變化同時發生。

對于旋轉光譜，分子根據對稱性分為球頂、線性和對稱頂；可以推導出這些分子的旋轉能量項的解析表達式。對于高達J=3的旋轉能級，可以推導出第四類非對稱頂部的解析表達式，但需要使用數值方法確定更高的能級。通過將分子視為剛性轉子然后應用額外項來解釋離心變形、精細結構、超精細結構和科里奧利耦合，從理論上推導出旋轉能。.將光譜擬合到理論表達式會給出轉動慣量的數值，從中可以在有利的情況下得出非常精確的分子鍵長和角度值。在存在靜電場的情況下，存在斯塔克分裂，可以確定分子電偶極矩。

旋轉光譜學的一個重要應用是使用射電望遠鏡探索星際介質的化學成分。

旋轉光譜學主要用于研究分子物理學的基本方面。它是一種獨特的精確工具，用于確定氣相分子中的分子結構。它可用于建立內部旋轉的障礙，例如與CH旋轉相關的障礙3相對于C的組6H4氯甲苯中的Cl基團(C7H7氯）。當可以觀察到精細或超精細結構時，該技術還提供有關分子電子結構的信息。目前對范德華力、氫鍵和鹵素鍵等弱分子相互作用的性質的大部分理解都是通過旋轉光譜學建立的。與射電天文學有關，該技術在探索星際介質的化學成分方面發揮著關鍵作用。微波躍遷是在實驗室中測量的，并使用射電望遠鏡與星際介質的發射相匹配。NH3是xxx個在星際介質中發現的穩定的多原子分子。一氧化氯的測量對大氣化學很重要。當前的天體化學項目涉及實驗室微波光譜學和使用現代射電望遠鏡（如阿塔卡馬大毫米陣列（ALMA））進行的觀測。