Ao contrário de outras técnicas espectroscópicas que admitem amostras em fase condensada, a espectroscopia rotacional, também chamada de espectroscopia de micro-ondas, exige que a espécie de interesse esteja em fase gasosa, permitindo a obtenção dos ângulos e comprimentos de ligação. 

Para uma transição rotacional, a regra de seleção geral é que a molécula possua momento de dipolo permanente, e a regra de seleção específica é ΔJ = ±1, onde J corresponde ao número quântico associado ao momento angular de rotação da molécula.

Um espectro de rotação apresenta uma série de linhas com a separação equivalente a 2B, sendo B a constante rotacional. 

O grau de degenerescência para cada valor de J em espectroscopia rotacional é dado por 2J+3.

Admite-se, em primeira aproximação, que as moléculas se comportam de acordo com o modelo do rotor rígido, o qual prevê quatro tipos de rotores: lineares com 1 momento de inércia nulo, esféricos com 3 momentos de inércia iguais, simétricos com 2 momentos de inércia iguais e assimétricos com 3 momentos de inércia diferentes.