Rotationsspektrum, i fysik et spektrum, der indeholder linjer fra lysudsendelse (emission) eller lysoptagelse (absorption), som forårsages af overgange mellem molekylers eller kerners kvantiserede rotationstilstande. For molekyler er måling af rotationsspektre, der observeres i mikrobølgeområdet, en af de mest nøjagtige metoder til at bestemme afstandene mellem de enkelte atomer. Det kan være vanskeligt at observere rene rotationsspektre; som regel optræder de som finstrukturer i de infrarøde spektre, der skyldes molekylernes vibration.