La spectroscopie vibrationnelle examine les différences d'énergie entre les modes vibrationnels d'une molécule. Ceux-ci sont plus grands que les états d'énergie de rotation. Cette spectroscopie peut fournir une mesure directe de la force de liaison. Les niveaux d'énergie vibratoire peuvent être expliqués à l'aide de molécules diatomiques. En première approximation, les vibrations moléculaires peuvent être approximées comme de simples oscillateurs harmoniques, avec une énergie associée connue sous le nom d'énergie vibratoire.