拉曼光譜的原理是基於光子與分子之間的非彈性散射。當單色光照射到透明樣品上時，大部分光會透過，而小部分會被樣品在各個方向上散射。這些散射光中，一部分與入射光的頻率相同，稱為瑞利散射；另一部分頻率與入射光不同，這部分散射光的頻率與入射光之間的差值被稱為拉曼位移，這部分即為拉曼散射。
拉曼散射的產生是因為光子與分子之間發生了能量交換，改變了光子的能量。當光子與分子相互作用時，電子可能從入射光中吸收能量，然後上升到虛能態，轉移的能量由E=hv公式給出。然後電子可能損失能量返回基態，如果損失的能量等於入射光的能量，電子回到它的初始能級，並在這個過程中釋放出另一個光子，這就是瑞利散射。然而有時電子從虛能態失去能量會落回到一個不同的振動能級，這樣一來電子損失的能量就不同於從入射光吸收的能量。因此電子發出的光子其能量就與入射光子的不同，這就是拉曼散射。
拉曼散射可以分為斯托克斯線和反斯托克斯線，斯托克斯線的頻率小於入射光的頻率，而反斯托克斯線的頻率大於入射光的頻率。這種頻率的變化被稱為Stokes shift和Anti-Stokes shift，它們是由樣品的旋轉和振動狀態決定的。
拉曼光譜提供了分子指紋譜，通過研究光譜，我們可以確定某個旋轉能級，據此找到特定的分子，這能有助於進行定性分析。類似的某條拉曼線的強度有助於確定樣本中分子的濃度，通過這種方式定量分析就能搞定了。因此拉曼光譜可以用來對樣本進行定性和定量分析。