光學分析法是利用待測定組分所顯示出的吸收光譜或發射光譜，既包括原子光譜也包括分子光譜。利用被測定組分中的分子所產生的吸收光譜的分析方法，即通常所說的可見與紫外分光光度法、紅外光譜法；利用其發射光譜的分析方法，常見的有熒光光度法。利用被測定組分中的原子吸收光譜的分析方法，即原子吸收法；利用被測定組分的發射光譜的分析方法，包括發射光譜分析法、原子熒光法、X射線原子熒光法、質子熒光法等。
（一）比色法
分光光度法的前身是比色法。比色分析法有著很長的歷史。1830年左右，四氨絡銅離子的深藍色就被用于銅的測定。奈斯勒的氨測定法起源于1852年，大約在同一年，硫氰酸鹽被用來分析鐵。1869年，舍恩報道說鈦鹽與過氧化氫反應會產生黃色，1882年，韋勒（Weller）將此黃色反應改進成一種鈦的比色法。釩也能與過氧化物發生類似的反應，生成一種橙色絡合物。1912年，梅勒一方面利用1908年芬頓發現的一個反應（二羥基馬來酸與鈦反應呈橙黃色，與釩反應無此色），另一方面利用與過氧化物的反應，得出了一種鈦和釩這兩種元素的比色測定法。
吸收光度分析法提供了非化學計量法的一個很好例子。有色化合物的光吸收強弱隨著所用輻射波長的大小而變化。因此早期的比色法主要憑經驗將未知物與濃度近似相等的標準溶液進行對比。比如象奈斯勒在氨測定法中所作的比較。比色劑，如杜波斯克比色計，是通過改變透光溶液的厚度和利用比爾定律，來對未知物的顏色與標準液的濃度進行對比的，這種儀器并不適用于所有的有色物質，它充其量也不過經驗程度很高罷了。
1729年，P·布古厄（Bouguer）觀察到入射光被介質吸收的多少與介質的厚度成正比。這后來又被J·H·蘭貝特（Lambert，1728—1777）所發現，他對單色光吸收所作的論述得到了下列關系式：
上式中I是通過厚度為x的介質的光密度，a是吸收系數。利用邊界條件x=0時，I=I0，積分得到：
I=I0e-ax
1852年，A·比爾（Beer）證實，許多溶液的吸收系數a是與溶質的濃度C成正比的。盡管比爾本人沒有建立那個指數吸收定律公式，但下列關系式
I=I0e-acx
仍被叫做比爾定律，式中濃度和厚度是作為對稱變數出現的。這個名稱似乎是在1889年就開始使用了。
1940年以前，比色法一直是最直觀的分析法，往往是以高度經驗為根據的——實際上依靠了奈斯勒管、杜波斯克比色計和拉維邦色調計。色調計利用可疊加有色玻璃盤作為顏色比較的載片。某些測定甚至是將顏色與彩紙和有色玻璃作比較來進行的。T·W·理查茲在有關鹵化銀的測定方面，發明了一種散射濁度計，用通過微濁溶液來測量光散射。
1940年初左右，分光光度計開始廣泛使用，幾種高質量、應用簡便的工業儀器使比色法更加普及，最著名的儀器，如蔡斯—普爾費利希、希爾格、斯佩克爾、貝克曼和科爾曼分光光度計，采用濾波器、棱鏡和光柵，使光的波長限制在一個很窄的范圍內。光吸收一般是用光電管測量的。
典型的比色試劑是二苯基硫卡巴腙（diphenyl-thiocarbazone）通常叫做雙硫腙dithizone，是艾米爾·費歇爾在1882年發現的，他觀察到雙硫腙很容易和金屬離子形成有色化合物，但他沒有繼續這項研究。1926年，海爾穆特·費歇爾研究了這個化合物，并報道了把它用于分析的可能性，這種可能性在30年代得到了最充分的利用。這種試劑與大量陽離子所形成的有色螯合物極易溶解于氯仿那樣的有機溶劑中。于是，這種絡合物就可從大量的水溶液中萃取到少量的溶劑中，從而使這種方法對痕量物質也非常靈敏。
比色法借助儀器可用于波長短到2000Å的紫外區。向紫外區的進一步擴展是不可能的。因為容器、棱鏡及空氣本身也會吸收光。記錄方法（起初主要是照相記錄），隨著實用光電管的發展得到了明顯的改進。紫外分光光度法在測定芳香化合物，如苯酚、蒽和苯乙烯方面特別有價值。
紫外吸收在研究有機化合物的結構時也很有用，它同束縛松散的電子締合，如出現在雙鍵中的電子。乙烯、乙炔、羰基化合物和氰化物中的不飽和鍵吸收2000Å以下的光，因此處于紫外分光光度計可測范圍之外。不飽和鍵周圍有取代基時，會使光的吸收向長波方向移動，但仍遠離實際可測的范圍。偶氮基、硝基、亞硝酸鹽、硝酸鹽和亞硝基的吸收光范圍在2500～3000Å之間。不飽和鍵發生共軛現象會使吸收增強。引起光向長波方向移動。芳香環具有一個特征吸收本領，可用于鑒定。
（二）紅外光譜法
輻射能吸收用作一種分析工具的最大進展也許是在紅外光譜領域。1920年以前，利用波長在8000Å到幾十分之一毫米光譜區的儀器就已經有了，但紅外光譜研究的真正進展卻發生在1940年以后。這個光譜區含有象分子振動所包括的那樣一些頻率的光。原子質量、鍵強和分子構型這樣一些重要因素與所吸收的能量有聯系。因此某些波段易與OH、NH、C=C和C=O那樣一些基團相對應。
紅外光譜的興起靠的是發展熱電堆以及輻射計、放大器和記錄器方面所取得的進展。許多年來，這些儀器的光學部分比檢測和記錄機構要令人滿意得多。
紅外光譜主要是作為一種定性工具使用的。同時如果大量的日常分析工作——比如，工業實踐中常常必需的分析工作——證明紅外光譜有利于這種工作的操作的話，那么它也可用于定量分析。定量紅外光譜法已經用于分析硝基烷混合物。甲酚混合物和六氯化苯異構體方面。六氯化苯的γ—異構體可用作殺蟲劑。紅外光譜法已經是測定混雜有相關異構體的γ—六氯化苯的有用工具。紅外光譜法在定性分析中極有價值，因為吸收位置和吸收強度能提供大量數據。過去人們曾做了大量的工作，繪制了許多鍵和基的光吸收性質圖，使得有可能利用這種數據迅速確定出新化合物的結構。工業方面，紅外光譜也有助于研究聚合作用方面的進展，因為單體和聚合體的紅外吸收帶相互間是有區別的。
目前紅外光譜（IR）是給出豐富的結構信息的重要方法之一，能在較寬的溫度范圍內快速記錄固態、液態、溶液和蒸氣相的圖譜。紅外光譜經歷了從棱鏡紅外、光柵紅外，目前已進入傅里葉變換紅外（FT—IR）時期，積累了十幾萬張標準物質的圖譜。FT—IR具有光通量大、信噪比高、分辨率好、波長范圍寬、掃描速度快等特點。利用IR顯微技術和基本分離技術（matrixisolation，MI—IR）可對低達ng量和pg量級的試樣進行記錄，FT—IR和色譜的結合，被稱為鑒定有機結構的“指紋”，這些優點是其他方法所難于比擬的。紅外光譜近年來發展十分迅速，在生物化學高聚物、環境、染料、食品、醫藥等方面得到廣泛應用。