化学键的振动是量子化的。分子会吸收特定频率的红外线，使化学键由振动基态跃迁至激发态（通常是第一激发态）。在通常状态下，分子的所有共价键几乎全部处于振动的基态。化学键的振动可用简谐振子近似，所以欲使化学键振动能级发生改变，吸收光的波数应为：
ν
=
1
2
π
c
k
μ
{\displaystyle \nu ={\frac {1}{2\pi c}}{\sqrt {\frac {k}{\mu }}}}
其中
π
{\displaystyle \pi }
为圆周率，
c
{\displaystyle c}
为真空中光速，
k
{\displaystyle k}
为化学键的“劲度系数”，
μ
{\displaystyle \mu }
为约化质量。约化质量由下式给出：
μ
=
m
A
m
B
m
A
+
m
B
{\displaystyle \mu ={\frac {m_{A}m_{B}}{m_{A}+m_{B}}}}
其中
m
A
{\displaystyle m_{A}}
和
m
B
{\displaystyle m_{B}}
分别为成键原子
A
{\displaystyle A}
和
B
{\displaystyle B}
的质量。不同的化学键，随着成键原子的不同，约化质量也会不同；而即使对于相同的成键原子，由于化学键性质不同（比如碳碳双键和碳碳单键），其“劲度系数”也会不同。故而不同化学键会有不同的特征频率。
一个分子的总自由度为3N（N为分子中原子的数量）。其中平移自由度为3，分别对应对于x、y和z三个方向；同样的，旋转自由度亦为3。所以对于非线型分子，其振动模式（vibrational mode）的数量为3N-6。由于绕键轴旋转不计入旋转自由度，对于线型分子，振动模式的数量为3N-5。简单的双原子分子只有一种振动模式，那就是伸缩。更复杂的分子，其振动方式也更为复杂。例如亚甲基中的碳氢键，就可以以 “对称伸缩”、“非对称伸缩”、“剪刀式摆动”、“左右摇摆”、“前後摇摆”和“扭摆”六种方式振动（见下图）。
对称伸缩
非对称伸缩
剪刀式摆动
左右摇摆
前後摇摆
扭摆
一般地，红外光谱上的信号数量应与分子的振动模式数量相同，但分子的振动模式若为红外活跃，必须能使分子偶极矩改变；所以并不是所有的振动模式都能在红外光谱中被观察到。此外，不同振动模式之间可以耦合，并在红外光谱上显示信号。
测量样品时，一束红外光穿过样品，各个波长上的能量吸收被记录下来。这可以由连续改变使用的单色波长来实现，也可以用傅立叶变换来一次测量所有的波长。这样的话，透射光谱或吸收光谱或被记录下来，显示出被样品红外吸收的波长，从而可以分析出样品中包含的化学键。
这种技术专门用在共价键的分析。如果样品的红外活跃键少、纯度高，得到的光谱会相当清晰，效果好。更加复杂的分子结构会导致更多的键吸收，从而得到复杂的光谱。但是，这项技术还是用在了非常复杂的混合物的定性研究当中。