Ihre außergewöhnliche Empfindlichkeit und Geschwindigkeit machen optische spektroskopische Techniken gut geeignet, um eine breite Palette von Fragen in der molekularen und zellulären Biophysik zu beantworten. Photomultiplier, die empfindlich genug sind, um ein einzelnes Photon zu detektieren, ermöglichen es, die Fluoreszenz von einzelnen Molekülen zu messen, und Laser, die Lichtpulse mit Breiten von weniger als 10–14 s liefern, können zur Untersuchung des molekularen Verhaltens im Zeitbereich von Kernbewegungen verwendet werden. Spektroskopische Eigenschaften wie Absorption, Fluoreszenz, Streuung und linearer und zirkularer Dichroismus können über die Identitäten, Konzentrationen, Interaktionen, Konformationen oder Dynamiken von Molekülen berichten und können auf kleine Veränderungen in der molekularen Struktur oder Umgebung reagieren. Resonanzenergieübertragung bietet eine Möglichkeit, intermolekulare Abstände zu untersuchen. Da sie in der Regel nicht zerstörerisch sind, können spektrophotometrische Techniken mit Proben verwendet werden, die nach einem Experiment wiederhergestellt werden müssen. Sie können auch analytische Methoden bereitstellen, die den Bedarf an Radioisotopen oder gefährlichen Reagenzien vermeiden. In Kombination mit Gentechnik und Mikroskopie bieten sie Einblicke in die Position, Dynamik und den Umsatz bestimmter Moleküle in lebenden Zellen.