时间分辨光谱是指一种能观察物理和化学的瞬态过程并能分辨其时间的光谱。在液相中，很多物理和化学过程，如分子的顺－反异构和定向弛豫、电荷和质子的转移、激发态分子碰撞预解离、能量传递和荧光寿命，以及电子在水中溶剂化等，仅需10－8秒就能完成。只有在皮秒激光脉冲实现后才有可能及时地观察这些极快过程。1966年次利用锁模Nd3+：YAG激光器获得了皮秒的超短光脉冲。现今又利用声光调制锁模染料激光器获得10－11秒的光脉冲。利用光学延迟（10－9秒/30厘米）或同时泵浦两台染料激光器，可准确地控制泵浦和探测激光脉冲的时间间隔。
　　在气相中，由于分子间作用较弱，小分子之间的传能和反应所需的时间大都在纳秒到毫秒数量级，使用输出脉宽为10纳秒的准分子激光和染料激光来进行泵浦和探测，就能研究分子传能过程等。
　　由于所研究的过程极为短暂，典型情况下具有纳秒（1纳秒=1×10－9秒）乃至飞秒（1飞秒=1×10－15秒）量级，因而要求激发光源为短脉冲或者超短脉冲的可调谐光源，脉冲染料激光和掺钛蓝宝石激光常被用于时间分辨率光谱研究。用时间分辨光谱研究微观粒子的运动规律和相互作用，导致了很多新现象、新机理的发现。如研究了分子间的能量转移、电子在分子中的内转移、化学反应的动态过程，以及光生物学中的基本过程等。

研究分子激发态寿命常用条纹相机法和泵浦探测方法。前者直接测量荧光寿命，简单易行，精度高，但系统较昂贵；后者则通过测量激发光与发射光之间的时间延时获得分子激发态寿命。用荧光光谱法鉴别物质种类有时会碰到不同物质荧光光谱十分相近而难以区分的情况，这时便需要用时间分辨光谱来鉴别。