У основі МСА лежить якісне і кількісне порівняння зміряного спектру досліджуваного зразка із спектрами індивідуальних речовин. Відповідно розрізняють якісний і кількісний МСА.

У МСА використовують різні види молекулярних спектрів: обертальні (мікрохвильова і довгохвильова ІЧ області спектру); коливальні і коливально-обертальні [спектри поглинання і випромінювання в ср. ІЧ області, спектри комбінаційного розсіяння світла (КРС), спектри ІЧ флуоресценції]; електронні; электро-коливальні і коливально-обертальні (спектри поглинання і пропускання у видимій і УФ областях, спектри флуоресценції). МСА дозволяє проводити аналіз малих кількостей речовини (до доль мкг і менш) в різних агрегатних станах.

Основні чинники, що визначають можливості методів МСА:

1) інформативність методу.

Умовно виражається числом спектрально вирішуваних ліній або смуг в певному інтервалі довжин волі або частот досліджуваного діапазону (для мікрохвильового діапазону воно ~10⁵ для ср. ГИК області ~10³);

2) кількість зміряних спектрів індивідуальних з'єднань;

3) існування загальних закономірностей між спектром речовини і його молекулярною будовою;

4) чутливість і вибірковість методу;

5) універсальність методу;

6) простота і доступність вимірювань спектрів.

Якісний МСА встановлює молекулярний склад досліджуваного зразка. Спектр молекули є його однозначною характеристикою.

Найбільш специфічні спектри речовин в газоподібному стані з дозволеною обертальною структурою, які досліджують за допомогою спектральних приладів високої роздільної здатності. Найчастіше використовують спектри ІЧ поглинання і КРС речовин в рідкому і твердому станах, а також спектри поглинання у видимій і УФ областях. Широкому впровадженню методу КРС сприяло застосування для їх збудження лазерного випромінювання.

Для підвищення ефективності МСА в деяких випадках вимірювання спектрів комбінують з іншими методами ідентифікації речовин. Так, всього більшого поширення набуває поєднання хроматографічного розділення речовин сумішей з вимірюванням ІЧ спектрів поглинання виділених компонентів.

До якісного МСА відноситься також т.з. структурний молекулярний аналіз. Встановлено, що молекули, що мають однакові структурні елементи, виявляють в спектрах поглинання і випускання (що особливо коливають) загальні риси. Так, наявність сульфгідрильної групи (— SH) в структурі молекули спричиняє за собою появу в спектрі смуги в інтервалі частот 2565—-2575 см^-1, нитрильной групи (— CN) — смуги 2200— 2300 см^-1 і так далі. Присутність цих характеристичних смуг в коливальних спектрах речовин із загальними структурними елементами пояснюється характеристичною частотою і формою багато молекулярних коливань. Ця особливість коливальних (і у меншій мірі електронних) спектрів дозволяє визначати структурний тип речовини.

Застосування ЕОМ істотно спрощує і прискорює якісний аналіз. В принципі його можна повністю автоматизувати, вводячи свідчення спектральних приладів безпосередньо в ЕОМ, в пам'ять якої закладені спектральні характеристичні ознаки речовин.

Кількісний МСА по спектрах поглинання заснований на законі Бугера—Ламберта— Бєєра, що встановлює зв'язок між інтенсивностями падаючого І пройденого І через речовину світла залежно від товщини поглинаючого шару І і концентрації речовини С:

І = І₀ е^-µСl                                            (5.1) 

Коефіцієнт є характеристикою поглинаючої здатності визначуваного компоненту для даної частоти випромінювання. Важлива умова успішного проведення кількісного МСА — незалежність  µ  від З і постійність µ у вимірюваному інтервалі частот, визначуваному шириною щілини спектрофотометра. МСА по спектрах поглинання проводять переважно для рідин і розчинів, для газів він значно ускладнюється.

У практичному МСА зазвичай вимірюють т.з. оптичну щільність D:

D =lnI₀ / I = µCl                                                        (5.2)    

           Якщо суміш складається з n речовин, що не реагують один з одним, то оптична щільність суміші на частоті v адитивна:          (5.3)

Для кількісного МСА зазвичай користуються спектрофотометрами, що дозволяють проводити вимірювання частот в порівняно широкому інтервалі. Якщо смуга поглинання досліджуваної речовини достатньо ізольована і вільна від накладення смуг інших компонентів суміші, досліджувану спектральну ділянку можна виділити, наприклад за допомогою інтерференційного світлофільтру. На його основі конструюють спеціальні аналізатори, що використовуються в промисловості.При кількісному МСА по спектрах КРС найчастіше інтенсивність ліній визначуваного компоненту суміші порівнюють з інтенсивністю деякої лінії стандартної речовини, зміряної в тих же умовах (метод зовнішнього стандарту). У інших випадках стандартну речовину додають до досліджуваного в певній кількості (метод внутрішнього стандарту).

Серед інших методів якісного і кількісного МСА найбільшою чутливістю володіє флуоресцентний аналіз, проте він поступається методам коливальної спектроскопії в універсальності і вибірковості.

Кількісний МСА по спектрах флуоресценції заснований на порівнянні свічення розчину досліджуваного зразка зі свіченням ряду еталонних розчинів близької концентрації.

Особливе значення має флуоресцентний аналіз із застосуванням техніки заморожених розчинів в спеціальних розчинниках, наприклад в парафінах. Завдяки виключно малій ширині спектральних ліній в цьому випадку вдається досягти високої порогової чутливості виявлення деяких багатоатомних ароматичних з'єднань (~10^-11 г/см ).