分子激发（molecular excitation）是指分子在各种因素的影响下其内能增加导致分子被激发。实质是分子内的电子运动、分子振动和转动激发到更高的能态。

按照量子力学基本原理，分子按其内部运动状态（主要包括分子的电子运动状态、构成分子的诸原子的振动和分子的转动等运动状态）的不同，可处于不同的能态，每一能态具有一定的能量。能量最低的态称为基态，能量高于基态的称为激发态。它们构成分子内部的各能级，高能量的激发态可跃迁到较低的能态，能量较低的能态也可吸收一定的能量跃迁到能量较高的激发态。分子一般处于电子基态和低振动态，由于转动能级间能量差较小，室温下不同能级上都有粒子占据。电子激发态与基态之间的跃迁产生分子的电子光谱，有吸收光谱和发射光谱，可产生若干振转谱带。

分子光谱可分为纯转动光谱带，振动－转动光谱带和电子光谱带。

把分子内的电子运动、分子的振动和转动激发到更高的能态。分子的激发主要有热激发等几种方式。

热激发　激发正常态分子中的电子，需要较大的能量，通常在火焰和高温电炉中实现这种激发。激发分子振动所需能量比前者要小得多，但只在加热的气体中才有相当数目比率的分子振动被激发。激发分子转动所需的能量更小，常温气体中的分子都在转动。热激发的特点是处在各能级上的分子数由热平衡分布规律决定。将热激发之后的气体分子通过一个超声喷管快速冷却，由于分子振动一般具有较长的弛豫时间，在一定的短暂时间内分子仍保持在振动能级上，此时甚至可形成振动能级上粒子布居数的反转。

电子碰撞激发　通常用气体放电中的热电子或自由电子束来激发分子。具有足够能量的热电子与分子发生非弹性碰撞，使分子的内能增加实现激发。采用单一能量的电子束可更有效地进行电子对分子的碰撞激发，并能实现选择性激发。此法适用于作快速过程的研究。

光激发　用光子与分子相互作用来激发，而后分子发射荧光退激。观测分子荧光的传统方法是用汞灯作光源，经滤光后获得的单色紫外线来激发。可调谐染料激光器出现之后，又能用光激发的方法研究电子激发分子的一系列振动和转动能级。还有一种间接的光激发叫光解激发。它是用适当波长的光照射分子使其中某一键断裂，使过程中的能量再分配，断裂后的产物可能获得激发。光激发具有很好的选择性，而且过程容易控制，主要用于荧光光谱实验（见固体发光）、双共振实验和激光器的光泵。

化学能激发　在许多放热化学反应中，释放出的化学能部分地变成体系的内能激发了分子。它不同于热激发，因为在反应过程中能级上的粒子数分布一般不同于热平衡时的粒子数分布，甚至可能出现布居数反转。

能量转移激发　在气体放电中，有的原子或分子处于亚稳态，寿命较长（见原子的亚稳态），当它同其他分子碰撞时，由于能量转移，前者返回基态，后者获得能量而被激发。光激发或化学能激发的原子或分子，以及化学反应中产生的亚稳原子团（自由基），如果激发态的寿命较长，也可利用来激发预定的分子。

粒子束激发　气体放电中通过阴极上开孔的极隧射线是一束高速离子，可用以激发分子。现代采用加速器加速电离分子，然后用电磁偏转系统分离出单一能量的离子束，这束离子通过一个固体箔或气体池时经历多次碰撞，出射束的分子就被高度激发或电离。此外，也可以用放射性同位素发射的带电粒子来激发。