Visās gamma spektroskopijas metodēs ir nepieciešams starojuma avots un piemērots detektors. Par starojuma avotu var kalpot radioaktīvu elementu kodolu jeb radionuklīdu (radionuclide), piemēram, kobalta-60 (60Co), cēzija-137 (137Cs), tehnēcija-99m (99mTc), amerīcija-241 (241Am) un citu, kodolsabrukšanas reakcijas. Bez kodolreakcijām gamma starojums var rasties daļiņu un antidaļiņu rekombinācijas, elementārdaļiņu sabrukšanas un lādētu daļiņu straujas bremzēšanas procesos. Gamma starojums tiek detektēts, novērojot vielā ierosinātu procesu (fotoefekta, Komptona izkliedes, pāru veidošanās) laikā radītas sekundāras daļiņas – elektronu un caurumu pārus –, kuru klātbūtni var reģistrēt kā optisku vai elektrisku signālu. Atbilstošos detektorus pēc darbības principa iedala scintilatoros un pusvadītāju detektoros. Par scintilāciju sauc optiskā diapazona fotonu emisiju jeb luminiscenci jonizējošā starojuma iedarbības rezultātā. Pēc tam fotoni, ietriecoties fotoelektrona pavairotāja (photomultiplier tube, PMT) katoda materiālā, rada fotoelektronus, kas tiek daudzkāršoti un pārvērsti elektriskā signālā. Piemēroti gamma staru scintilācijas detektoru materiāli ir nātrija jodīda (NaI), cēzija jodīda (CsI), lantāna bromīda (LaBr3) un citu savienojumu kristāli. Pusvadītāju detektoros jonizējošā starojuma radīto elektronu-caurumu pāru skaits, kas ir proporcionāls gamma starojuma enerģijai, tiek nolasīts ar ārēju elektrisko lauku. Gamma staru detektēšanai visplašāk izmanto augstas tīrības germānija (Ge) pusvadītāju materiālus.

Gamma staru detektoru shematisks attēlojums: (a) scintilators; (b) pusvadītāju detektors.
Metodes, kurās izmanto gamma starojumu, ir daudzveidīgas. Dabaszinātņu un rūpniecības nozarēs, kā arī vides monitoringā gamma starojuma detektorus izmanto, lai veiktu ātru un nedestruktīvu radioaktīvo izotopu analīzi pētāmajā paraugā. Astrofizikā gamma starojuma spektroskopija sniedz ieskatu tādos kosmosa objektos kā, piemēram, neitronu zvaigznēs, pulsāros, melnajos caurumos un kvazāros. Gamma staru uzliesmojumi (gamma ray burst) ir visspožākie elektromagnētiskā starojuma avoti, kas zināmi Visumā. Gamma starojums tiek izmantots gan materiālu kvalitātes kontrolē, gan pozitronu emisijas tomogrāfijā (positron emission tomography, PET) medicīniskajā diagnostikā. Gamma staru destruktīvo ietekmi izmanto objektu sterilizācijā, pārtikas produktu higiēnas uzlabošanā un kancerogēnu šūnu iznīcināšanai vēža terapijā.
Mesbauera jeb gamma rezonanses spektroskopija ir metode materiālu strukturālo, ķīmisko un magnētisko īpašību pētījumiem. Tās pamatā ir Mesbauera efekts jeb “bezatsitiena” (recoilless) rezonanses gamma staru emisijas un absorbcijas parādība. Efekta skaidrošanai kā analoģiju var izmantot pārvietošanos starp divām laivām, kas atrodas ūdenī. Tas var izrādīties problemātiski, jo laiva, no kuras atspersies, iegūs pretēji vērstu impulsu. Pretstatā, ja ūdens ir aizsalis, abas laivas ir nofiksētas ledū, kā rezultātā manevru veikt ir vienkāršāk. Līdzīgā veidā gamma kvanta lielās enerģijas dēļ atoma kodolam, kurš to izstaro, ir sagaidāms atsitiena efekts. Rezultātā Mesbauera efekts ir novērojams tikai cietvielās, kur atomi atrodas fiksētās režģa pozīcijās. Spektru mērījumiem nepieciešams, lai gan starojuma avota, gan pētāmā parauga sastāvā ir viena un tā paša izotopa atomi (visplašāk tiek pētīts dzelzs-57 (57Fe)). Nianses absorbējošā kodola enerģijas līmeņu struktūrā atspoguļo tā tuvāko ķīmisko apkārtni. Tās var raksturot, spektra uzņemšanas laikā variējot oscilējoša avota ātrumu, kā rezultātā Doplera efekta dēļ izmainās avota gamma starojuma frekvence. Tādējādi tipiskā Mesbauera spektrā tiek attēlota gamma starojuma intensitāte uz detektora atkarībā no avota ātruma (ar lieluma kārtu mm/s). Ir iespējama arī eksperimentāla realizācija ar stacionāru avotu un oscilējošu paraugu. Momentā, kad modulētā starojuma enerģija sakrīt ar enerģijas starpību starp kvantu mehāniskiem kodola apakšlīmeņiem pētāmajā paraugā, notiek rezonanses absorbcija. Galvenās mijiedarbības, kas nosaka absorbcijas līniju skaitu un pozīcijas Mesbauera spektrā, ir izomēra nobīde (isomer shift, arī ķīmiskā nobīde – chemical shift), kvadrupolārā mijiedarbība (quadrupole interaction) un magnētiskā mijiedarbība (magnetic interaction, arī kodolu Zēmana mijiedarbība – nuclear Zeeman interaction). Mijiedarbības raksturojošie parametri ir informācijas avots par vielas struktūru atomārā mērogā.

Mesbauera spektroskopijas pamatprincips: (a) eksperimenta shematisks attēlojums; (b) kodola pārejas gamma starojuma emisijas un absorbcijas procesos.