焰色反應的原理是基於金屬或某些特定元素在高溫下，如火焰中，原子內的電子吸收能量後從低能級躍遷到高能級，然後再從高能級回落到低能級時，釋放的能量以光子的形式放出。
由於不同元素的原子結構不同，電子躍遷時能量的變化也不同，因此會發出不同波長的光。這些光波長如果處於可見光範圍內，就可以觀察到火焰呈現特定元素的特徵顏色。焰色反應是一種物理變化，不涉及物質結構和化學性質的改變。例如，鹼金屬及其鹽在火焰上灼燒時，會發出特定顏色的光，這是因為它們的電子在吸收能量後躍遷，再回落時釋放出能量，產生光。不同金屬的電子躍遷產生的光的波長不同，因此火焰的顏色也不同。這種差異使得焰色反應可以用於鑑定和定量分析金屬離子。