紅外光譜可以研究分子的結構和化學鍵，如力常數的測定和分子對稱性等，利用紅外光譜方法可測定分子的鍵長和鍵角，并由此推測分子的立體構型。

根據所得的力常數可推知化學鍵的強弱，由簡正頻率計算熱力學函數等。分子中的某些基團或化學鍵在不同化合物中所對應的譜帶波數基本上是固定的或只在小波段范圍內變化，因此許多有機官能團例如甲基、亞甲基、羰基，氰基，羥基，胺基等等在紅外光譜中都有特征吸收，通過紅外光譜測定，人們就可以判定未知樣品中存在哪些有機官能團，這為確定未知物的化學結構奠定了基礎。

由于分子內和分子間相互作用，有機官能團的特征頻率會由于官能團所處的化學環境不同而發生微細變化，這為研究表征分子內、分子間相互作用創造了條件。

分子在低波數區的許多簡正振動往往涉及分子中全部原子，不同的分子的振動方式彼此不同，這使得紅外光譜具有像指紋一樣高度的特征性，稱為指紋區。利用這一特點，人們采集了成千上萬種已知化合物的紅外光譜，并把它們存入計算機中，編成紅外光譜標準譜圖庫。人們只需把測得未知物的紅外光譜與標準庫中的光譜進行比對，就可以迅速判定未知化合物的成份。

當代紅外光譜技術的發展已使紅外光譜的意義遠遠超越了對樣品進行簡單的常規測試并從而推斷化合物的組成的階段。

紅外光譜儀與其它多種測試手段聯用衍生出許多新的分子光譜領域，例如，色譜技術與紅外光譜儀聯合為深化認識復雜的混合物體系中各種組份的化學結構創造了機會;把紅外光譜儀與顯微鏡方法結合起來，形成紅外成像技術，用于研究非均相體系的形態結構，由于紅外光譜能利用其特征譜帶有效地區分不同化合物，這使得該方法具有其它方法難以匹敵的化學反差。