Spektroskopia rotacyjna – dziedzina spektroskopii cząsteczkowej badająca przejścia promieniste między poziomami rotacyjnymi (skwantowanymi poziomami energii obrotowej) cząsteczki pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Widmo rotacyjne można otrzymać wyłącznie dla substancji w fazie gazowej. Obserwuje się je w postaci szeregu wąskich linii widmowych. Przejścia rotacyjne można opisać w przybliżeniu jako zmieniające jedynie część funkcji falowej cząsteczki zależną od kątów opisujących obrót cząsteczki jako całości w przestrzeni. Odstępy energetyczne pomiędzy poziomami rotacyjnymi są niewielkie, dlatego przejścia pomiędzy nimi są najniżej energetycznymi przejściami w zakresie całej spektrometrii optycznej. Odstępy te odpowiadają zakresowi promieniowania mikrofalowego.
W spektroskopii wykorzystywane są dwa rodzaje widma rotacyjnego: widmo rotacyjne absorpcyjne, obserwowane w zakresie promieniowania mikrofalowego, powstałe na skutek przejścia promienistego (w wyniku absorpcji promieniowania mikrofalowego) między niższym a wyższym poziomem rotacyjnym cząsteczki.