拉曼散射是基于光子与分子中的电子云及分子键结的相互作用。对于自发拉曼效应，光子将分子从基态激发到一个虚拟的能量状态。当激发态的分子放出一个光子后并返回到一个不同于基态的旋转或振动状态。在基态与新状态间的能量差会使得释放光子的频率与激发光线的波长不同。
光经过样本产生的散射与P成正比。所以从P我们就可以直接得到散射光谱的组分。
第一项为瑞丽散射，散射光子的频率与入射光子的频率相同。
第二项与第三项统称为拉曼散射，散射光子的频率与入射光子频率不同，频率的差等于分子的振动频率。其中第二项为斯托克斯散射，当分子与入射光子作用时，分子处于基态，在发生拉曼散射以后，分子在入射光作用下激发到振动激发态。因此斯托克思散射光子的频率低于入射光子的频率。而第三项对应的是反斯托克斯拉曼散射，当分子与入射光子作用时，分子处于振动激发态，当发生拉曼散射以后，分子回到基态。分子振动的能量转移到散射的光子上，因此，反斯托克斯光子的频率高于入射光子的频率。