Суть метода заключается в регистрации спектральных линий излучения, рассеянного образцом (в твердой, жидкой или газообразной фазе). Эти спектральные линии, отсутствующие в спектре первичного (возбуждающего) излучения, соответствуют определенным колебаниям групп атомов. Это позволяет определенить наличие определенных функциональных групп по характеристическим частотам колебаний их фрагментов (см. также статью спектроскопия, колебательная).

В спектроскопии резонансного рамановского рассеяния (RRS — Resonance Raman scattering) частота лазерного излучения подбирается в соответствии с электронными переходами в молекуле или кристалле, которые отвечают возбужденным электронным состояниям. Такой подход позволяет получить высокую интенсивность рассеяния при отсутствии нежелательных флуоресцентных помех, частота которых ниже частоты возбуждающего излучения.

Также на эффекте резонансного комбинационного рассеяния основан метод когерентной анти-стоксовой рамановской спектроскопии (CARS — Coherent anti-Stokes Raman spectroscopy). В этом методе используют два лазера, один из которых имеет фиксированную, а другой — изменяемую частоту генерации. Когда разница частоты между лазерами совпадает с частотой колебаний молекул, стимулируется резонансное излучение. Изменяя частоту настраиваемого лазера, получают спектр резонансного рамановского рассеяния.

Помимо резонансной, широко применяется спектроскопия поверхностно-усиленного рамановского рассеяния (SERS — surface enhanced raman scaterring), в частности, для исследования биомолекул, привитых к наночастицам благородных металлов. В результате лазерного облучения поверхности наночастиц металла размерами 10–100 нм образуются плазмоны, которые увеличивают электрическое поле вокруг металла. Поскольку интенсивность сигнала в рамановской спектроскопии пропорциональна электрическому полю, сигнал существенно возрастает (до 10¹⁴ раз), что позволяет регистрировать спектры рамановского рассеяния отдельной молекулы. Такими молекулами могут быть антитела, нуклеиновые кислоты и т. д. Особая разновидность поверхностно-усиленной рамановской спектроскии, в которой для усиления сигнала используется зонд сканирующего зондового микроскопа, получил название спектроскопии локального усиления рамановского рассеяния (TERS — tip enhanced raman scattering).

Наконец, рамановская спектроскопия с оптическим пинцетом (OTRS — Optical Tweezers Raman Spectroscopy) используется для изучения индивидуальных частиц, а также биохимических процессов в клетках, улавливаемых оптическим пинцетом — прибором, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света.