Spektroskopia wibracyjna przygląda się różnicom energii między trybami drgań cząsteczki. Są większe niż obrotowe stany energii. Ta spektroskopia może zapewnić bezpośredni pomiar siły wiązania. Poziomy energii wibracji można wyjaśnić za pomocą cząsteczek dwuatomowych. W pierwszym przybliżeniu wibracje molekularne można przybliżyć jako proste oscylatory harmoniczne, z towarzyszącą im energią znaną jako energia wibracyjna.