Elektromagnētiskajam starojumam piemīt viļņa-daļiņas duālisms. No vienas puses, tās ir svārstības, kas izplatās telpā viļņu veidā un kuras var raksturot ar frekvenci, viļņa garumu un izplatīšanās ātrumu. No kvantu fizikas puses raugoties, elektromagnētisko starojumu definē kā daļiņu jeb fotonu plūsmu, un svarīgs raksturlielums ir individuālajam kvantam piemītošais enerģijas daudzums. Balstoties raksturlielumu skaitliskajās vērtībās, elektromagnētiskajam starojumam ir ieviesta klasifikācija radioviļņos, mikroviļņos, infrasarkanajā starojumā, redzamajā gaismā, ultravioletajā starojumā, rentgenstarojumā un gamma starojumā. Fizikālais modelis starojuma aprakstam visos spektra apgabalos ir identisks, taču būtiski atšķiras ierosinātie efekti pēc mijiedarbības ar vielu. Elektromagnētiskajam starojumam ir liela nozīme dabā notiekošajos procesos un daudzveidīgi pielietojumi cilvēku ikdienas dzīvē.

Klasiskajā fizikā par elektromagnētisko starojumu sauc enerģijas plūsmu, kas izplatās ar gaismas ātrumu un kuru veido saistītas elektriskā lauka intensitātes un magnētiskā lauka indukcijas svārstības savstarpēji perpendikulārās plaknēs. Elektromagnētiskie viļņi ir šķērsviļņi, jo svārstības norisinās perpendikulāri starojuma izplatīšanās virzienam. Starojuma frekvence ν raksturo elektriskā (vai magnētiskā) lauka svārstību skaitu sekundē. Frekvence ir apgriezti proporcionāls lielums viļņa garumam λ, kas ir attālums starp diviem līdzās esošiem viļņa punktiem, kuriem ir vienāda fāze:

 ν = c / λ

Polarizācija raksturo elektromagnētisko viļņu svārstību ģeometrisko orientāciju. Starojumu, kurā elektriskā (un līdz ar to arī magnētiskā) lauka intensitātes vektora svārstību virziens vilnī haotiski mainās, dēvē par nepolarizētu. Ja elektriskā lauka svārstības notiek vienā nemainīgā plaknē, starojums ir polarizēts lineāri. Cirkulāri un eliptiski polarizētas gaismas gadījumā notiek elektriskā lauka intensitātes vektora rotācija.

Enerģijas daudzumu, ko pārnes vilnis, nosaka svārstību amplitūda. Enerģijas pārvades raksturošanai laika vienībā caur noteiktu šķērsgriezuma laukumu tiek izmantots elektromagnētiskā lauka enerģijas plūsmas blīvuma jeb Pointinga vektors, kas ir vērsts viļņa izplatīšanās virzienā.

Kvantu fizikas ietvaros elektromagnētiskais starojums tiek definēts kā kvantu jeb fotonu plūsma. Starojums tiek izstarots diskrētu enerģijas porciju veidā, turklāt kvantu daba saglabājas starojuma izplatīšanās laikā un mijiedarbībā ar vielu. Fotoni – elektromagnētiskā lauka kvanti – ir elektriski neitrālas elementārdaļiņas ar nulles miera masu. Individuālā fotona enerģija ir tieši proporcionāla frekvencei:

E = hν

Fotona enerģija E: h = 6,626·10-34 J·s – Planka konstante; ν – starojuma frekvence.

Fotonu enerģiju tipiski izsaka elektronvoltos (1 eV = 1,6·10^-19 J). Enerģijas skaitliskās vērtības var būt daudzās lieluma kārtās atšķirīgas, kas nosaka starojuma izraisītos efektus vielā, iespējas to radīt mākslīgi vai detektēt, kā arī praktiskos pielietojumus. Tādēļ, balstoties starojuma raksturlielumos, ir ieviesta klasifikācija vairākos elektromagnētiskā starojuma spektra apgabalos.

Robežvērtības starp elektromagnētiskā spektra apgabaliem literatūrā nav definētas viennozīmīgi. Piemēram, terminu “radioviļņi” mēdz attiecināt arī uz starojumu mikroviļņu diapazonā, savukārt rentgenstarojumam un gamma starojumam salīdzinoši plašā spektra diapazonā ir pārklāšanās, un klasifikācija ir balstīta starojuma izcelsmē. Katrā spektra apgabalā tiek papildus veikta sīkāka klasifikācija.

Starojuma ierosinātie efekti vielā atomārā mērogā ir atkarīgi no fotonu enerģijas. Elektromagnētiskais starojums visos spektra apgabalos mijiedarbojas ar elektriskajiem lādiņiem. Zemo frekvenču starojuma radioviļņu un mikroviļņu ģenerēšanai un detektēšanai tiek izmantoti brīvā kustībā esoši elektroni antenu metāla komponentēs. Infrasarkanā starojuma galvenie mijiedarbības procesi ir saistīti ar atomu rotācijām un svārstībām molekulās. Redzamās gaismas un ultravioletā starojuma kvanti var ierosināt elektroniskās pārejas atomu vājāk saistītajos valences elektronos. Izmantojot augstākas enerģijas rentgenstaru kvantus, ir iespējams jonizēt atoma iekšējo čaulu elektronus. Gamma staru absorbcija un emisija vielā ir saistīta ar procesiem atoma kodolā.

Elektromagnētiskā starojuma ietekme uz ķīmiskiem savienojumiem un bioloģiskām sistēmām ir atkarīga no starojuma frekvences un jaudas. Nejonizējošā starojuma (redzamā gaisma, infrasarkanais starojums, mikroviļņi, radioviļņi) fotonu enerģija nav pietiekoši liela, lai jonizētu atomus vai pārrautu ķīmiskās saites. Liela skaita nejonizējošā starojuma fotonu absorbcija vielā galvenokārt izraisa termiskus efektus. Rentgenstarojumu un gamma starojumu pretstatā klasificē kā jonizējošā starojuma veidus. Tie spēj vielā radīt brīvus elektronus un jonus, kā arī pārraut ķīmiskās saites, kas dzīvos organismos var izraisīt paliekošus šūnu bojājumus.

Zemes atmosfērai ir selektīva caurlaidība dažādos elektromagnētiskā spektra diapazonos. Dzīvībai bīstamais jonizējošais elektromagnētiskais starojums (gamma starojums, rentgenstarojums, īso viļņu ultravioletais starojums) tiek absorbēts augšējos atmosfēras slāņos. Caurlaidība starojumam redzamās gaismas un (redzamajai gaismai) tuvā ultravioletā un infrasarkanā starojuma diapazonos ir laba, tādēļ šo spektra apgabalu mēdz dēvēt arī par atmosfēras optisko logu. Plašā infrasarkanā spektra daļā starojums tiek efektīvi absorbēts atmosfēru veidojošo gāzu molekulās. Zemāku frekvenču mikroviļņu un radioviļņu diapazonos atmosfēra atkal kļūst caurlaidīga.

Visa dzīvība uz Zemes ir atkarīga no elektromagnētiskā starojuma, kas tiek saņemts no Saules. Saule ir nepārtraukta starojuma avots, kas staro visos elektromagnētiskā spektra diapazonos. Termiskā starojuma veidā saņemtais siltums un atmosfēras gāzu sastāvs nodrošina piemērotu temperatūru, lai ūdens atrastos šķidrā agregātstāvoklī, kas ir viens no galvenajiem dzīvības priekšnosacījumiem. Starojums redzamās gaismas diapazonā aktivizē fotosintēzi, kā rezultātā no augos uzkrātajām neorganiskajām vielām tiek sintezētas organiskās vielas un izdalās skābeklis. Fotosintēzes process nodrošina gāzu līdzsvaru atmosfērā un vielu apriti dabā un līdz ar to ir kritiski svarīgs dzīvības uzturēšanā uz Zemes. Redzamā gaisma ir viens no svarīgākajiem informācijas avotiem par apkārtējo vidi. Tā kā Zemes atmosfērai ir laba caurlaidība redzamās gaismas diapazonā, evolūcijas gaitā dzīvajām radībām ir izveidojušies maņu orgāni, kas spēj to uztvert. Objektus vienu no otra ir iespējams atšķirt to raksturīgās mijiedarbības ar gaismu – starojuma absorbcijas, atstarošanas, izkliedes parādību – dēļ. Daudzu uz Zemes pieejamo enerģijas avotu (Saules enerģija, vēja enerģija, biomasa, fosilie kurināmie) izcelsme tiešā vai netiešā veidā ir saistāma ar no Saules saņemto elektromagnētisko starojumu.

Elektromagnētiskā starojuma izcelsmes un īpašību pētījumi ir būtiski palīdzējuši izveidot izpratni par dabā notiekošajiem procesiem un parādībām. Pirmie eksperimentālie novērojumi tika veikti elektromagnētiskā spektra redzamās gaismas daļā. 1704. gadā tika publicēta Īzaka Ņūtona (Sir Isaac Newton) grāmata “Optika” (Opticks: or, A Treatise of the Reflexions, Refractions, Inflexions and Colours of Light), kurā tika aprakstīta gaismas korpuskulārā jeb daļiņu teorija un dažādas gaismas parādības. Viens no lielākajiem gaismas korpuskulārās teorijas oponentiem bija Ī. Ņūtona laikabiedrs – holandiešu fiziķis Kristiāns Heigenss (Christiaan Huygens), 1690. gadā publicējot gaismas viļņu teoriju grāmatā “Traktāts par gaismu” (Traité de la Lumière: Où font expliquées Les causes de ce qui luy arrive Dans la Reflexion & Dans la Refraction). Klasiskās elektromagnētisma teorijas pamatlicējs ir Džeimss Klerks Maksvels (James Clerk Maxwell), 19. gs. otrajā pusē demonstrējot, ka elektriskais un magnētiskais lauks telpā var izplatīties viļņu veidā ar gaismas ātrumu. 19. gs. beigās vācu fiziķis Heinrihs Rūdolfs Hercs (Heinrich Rudolf Hertz) atklāja radioviļņus, kas eksperimentāli verificēja elektromagnētisko viļņu eksistenci. Elektromagnētisko viļņu teorija tomēr nebija pietiekoša, lai izskaidrotu vairākus eksperimentālos novērojumus, piemēram, sakarsētu ķermeņu starojuma spektru vai fotoefektā atbrīvoto elektronu kinētiskās enerģijas. Absolūti melna ķermeņa starojuma spektram skaidrojumu 1900. gadā piedāvāja vācu fiziķis Makss Planks (Max Karl Ernst Ludwig Planck), postulējot, ka izstarotajai gaismai piemīt daļiņas jeb kvantu īpašības. Izmantojot gaismas kvantu teoriju, Alberts Einšteins (Albert Einstein) 1905. gadā sniedza fotoefekta interpretāciju. Mūsdienās elektromagnētiskā starojuma dabu raksturo viļņa-daļiņas duālisma jēdziens, tas ir, starojumam piemīt gan viļņa, gan daļiņas īpašības.

Spēja mākslīgi radīt, pārraidīt un detektēt elektromagnētisko starojumu ir neatņemama mūsdienu pasaules sastāvdaļa. Mūsu ikdienu caurstrāvo daudzveidīgi elektromagnētiskā starojuma pielietojumi, sākot no pārtikas produktu uzsildīšanas mikroviļņu krāsnī līdz pat radio un televīzijas informācijas pārraidīšanai vai sauszemes, jūras un gaisa satiksmes kontrolei. Infrasarkano starojumu izmanto attālinātai ierīču kontrolei, bet tā termisko efektu tiešā veidā pielieto sildelementos. Mākslīgie redzamās gaismas avoti nodrošina cilvēku aktivitātēm nepieciešamo apgaismojumu iekštelpās un diennakts tumšajā laikā. Lielo frekvenču starojumam – rentgenstarojumam un gamma starojumam – ir liela caurspiešanās spēja, tādēļ to var pielietot citos elektromagnētiskā spektra apgabalos necaurlaidīgu objektu analīzei. Tas ietver arī pacientu medicīniskās diagnostikas izmeklējumus, kā, piemēram, datortomogrāfiju (computer tomography, CT), pozitronu emisijas tomogrāfiju (positron emission tomography, PET) un citus. Jonizējošā starojuma destruktīvo ietekmi praktiski izmanto ļaundabīgo audzēju ārstēšanā un sterilizācijā. Jāņem vērā, ka pārmērīgas jonizējošā starojuma dozas ekspozīcija cilvēkiem ir bīstama, tādēļ svarīgi ir to monitorēt un kontrolēt.

Pētniecībā liela nozīme ir spektroskopijai – starojuma un vielas mijiedarbības procesu raksturošanai un analīzei. Veicot vielas spektroskopisko analīzi, var gūt ieskatu tās atomārajā un molekulārajā struktūrā, kas nosaka vielas īpašības makro mērogā un pielietojamību ikdienā. Spektroskopijas metodes ir ļoti jutīgas, atsevišķos gadījumos ļaujot detektēt signālus no atsevišķām molekulām vai pat atomiem. Spektroskopiskie mērījumi tiek veikti dažādos elektromagnētiskā spektra reģionos, un katrs no tiem sniedz unikālu informāciju par pētāmo sistēmu.