La spettroscopia vibrazionale esamina le differenze di energia tra i modi vibrazionali di una molecola. Questi sono più grandi degli stati energetici rotazionali. Questa spettroscopia può fornire una misura diretta della forza di legame. I livelli di energia di vibrazione possono essere spiegati utilizzando molecole biatomiche. In prima approssimazione, le vibrazioni molecolari possono essere approssimate come semplici oscillatori armonici, con un'energia associata nota come energia vibrazionale.