ספקטרוסקופיה אטומית היא כלי חיוני לניתוח אלמנטי, הן ברמה האיכותנית והן ברמה הכמותית. ניתן לחלק אותה באופן כללי לשיטות ספקטרוסקופיה אופטית, ספקטרוסקופיית מסה, ושיטות ספקטרוסקופיית רנטגן. שיטות הספקטרוסקופיה האופטית כוללות ספקטרוסקופיית בליעה אטומית (AAS), ספקטרוסקופיית פליטה אטומית (AES), וספקטרוסקופיית פלואורסצנציה אטומית (AFS). הצעד הראשון בכל שלוש השיטות הוא אטומיזציה, שבה דגימות במצב מוצק, נוזלי, או תמיסה מומרות לאטומים ויונים במצב גזי.

בשיטת AAS, הדגימות הגזיות מתקשרות עם קרינה אלקטרומגנטית ובולעות פוטונים באנרגיות מדויקות שמקדמות אלקטרונים מאטומים במצב היסוד שלהם למצב מעורר. לדוגמה, האלקטרון הבלתי-מזווג ברמת 3s של אטום הנתרן (Na) מקודם לרמת 3p, 4p, או 5p בעת בליעת קרינה באורכי גל של 285 ננומטר, 330 ננומטר, או 590 ננומטר, בהתאמה. הפחתת הקרינה המועברת באורכי גל מסוימים נמדדת על ידי הגלאי ומוצגת כספקטרום בליעה או העברה.

בשיטת AES, האטומים במצב היסוד שלהם מגיבים לגז במצב גזי באמצעות חום או פריקה חשמלית, וכך הם מוקפצים למצב מעורר אלקטרונית. אטומים אלה, במצב האנרגיה הגבוה והקצר חיים שלהם, נרגעים חזרה למצב היסוד, תוך פליטת פוטונים התואמים לפער האנרגיה. עוצמת האור הנפלט נמדדת ומומרת לאות חשמלי שנותן "טביעת אצבע" של הדגימה. לדוגמה, המעברים האלקטרוניים של אטומי נתרן מעוררים מרמות 3p, 4p ו-5p חזרה לרמת 3s גורמים לפליטות סביב 590 ננומטר, 330 ננומטר, ו-285 ננומטר, בהתאמה. הקרינה הנפלטת נמדדת ומעובדת לספקטרום.

בשיטת AFS, האטומים במצב היסוד שלהם מוקרנים באורך גל ייחודי ומוקפצים למצב מעורר אלקטרונית. בתנאי שלא מתרחשת מעבר חסר קרינה, האטומים במצב המעורר נרגעים למצב היסוד תוך פלואורסצנציה באורך גל מדויק התואם לאנרגיה שהם ספגו. הגלאי ממוקם בדרך כלל בזווית ישרה לקרן המקור, כך שרק פלואורסצנציה צריכה להגיע אליו.

שלא כמו ספקטרומים מולקולריים, לספקטרומים אטומיים יש קווים חדים בשל היעדר מצבים אנרגטיים של רוטציה וויברציה שגורמים להרחבת פיקים בספקטרומים מולקולריים.