把分子內的電子運動、分子的振動和轉動激發到更高的能態。分子的激發主要有熱激發等幾種方式。
熱激發 激發正常態分子中的電子，需要較大的能量，通常在火焰和高溫電爐中實現這種激發。激發分子振動所需能量比前者要小得多，但隻在加熱的氣體中才有相當數目比率的分子振動被激發。激發分子轉動所需的能量更小，常溫氣體中的分子都在轉動。熱激發的特點是處在各能級上的分子數由熱平衡分佈規律決定。將熱激發發之後的氣體分子通過一個超聲噴管快速冷卻，由於分子振動一般具有較長的弛豫時間，在一定的短暫時間內分子仍保持在振動能級上，此時甚至可形成振動能級上粒子佈居數的反轉。
電子碰撞激發 通常用氣體放電中的熱電子或自由電子束來激發分子。具有足夠能量的熱電子與分子發生非彈性碰撞，使分子的內能增加實現激發。采用單一能量的電子束可更有效地進行電子對分子的碰撞激發，並能實現選擇性激發。此法適用於作快速過程的研究。
光激發 用光子與分子相互作用來激發，而後分子發射熒光退激。觀測分子熒光的傳統方法是用汞燈作光源，經濾光後獲得的單色紫外線來激發。可調諧染料激光器出現之後，又能用光激發的方法研究電子激發分子的一系列振動和轉動能級。還有一種間接的光激發叫光解激發。它是用適當波長的光照射分子使其中某一鍵斷裂，使過程中的能量再分配，斷裂後的產物可能獲得激發。光激發具有很好的選擇性，而且過程容易控制，主要用於熒光光譜實驗（見固體發光）、雙共振實驗和激光器的光泵。
化學能激發 在許多放熱化學反應中，釋放出的化學能部分地變成體系的內能激發瞭分子。它不同於熱激發，因為在反應過程中能級上的粒子數分佈一般不同於熱平衡時的粒子數分佈，甚至可能出現佈居數反轉。
能量轉移激發 在氣體放電中，有的原子或分子處於亞穩態，壽命較長（見原子的亞穩態），當它同其他分子碰撞時，由於能量轉移，前者返回基態，後者獲得能量而被激發。光激發或化學能激發的原子或分子，以及化學反應中產生的亞穩原子團（自由基），如果激發態的壽命較長，也可利用來激發預定的分子。
粒子束激發 氣體放電中通過陰極上開孔的極隧射線是一束高速離子，可用以激發分子。現代采用加速器加速電離分子，然後用電磁偏轉系統分離出單一能量的離子束，這束離子通過一個固體箔或氣體池時經歷多次碰撞，出射束的分子就被高度激發或電離。此外，也可以用放射性同位素發射的帶電粒子來激發。