入射光量子與遠小於入射輻射波長的粒子(如分子)碰撞時發生的彈性散射，此時光量子的能量和頻率均保持不變。
瑞利散射的量子力學表示如圖所示，
它能給出很直觀的散射圖像。圖中虛線表示的能級稱虛能級，虛能級並不對應於散射系統的任何實際能態，僅給出光量子高於初態態的能量。實際躍遷是通過某一虛能級的兩個虛躍遷過程來完成的，它使一個能量為
h
v的入射光子湮滅(
h為普朗克常數，
v為頻率)，而同時產生一個能量與入射光子相同的散射光子。因此發生散射時，雖然系統的能量狀態最終沒有改變，但是系統仍直接參與瞭散射作用。
瑞利散射總是與喇曼散射（見喇曼光譜學）同時出現，前者的強度通常約為入射光強度的10-3。散射過程有相幹性，光子的動量可近似看作是守恒的，對受激的瑞利散射，根據相幹要求，入射光與散射光子態間有一定的相位關系。