Mikrovågsspektroskopi ( eng. microwave spectroscopy ) är en teknik för att bestämma den geometriska strukturen hos molekyler från mikrovågsspektra på grund av övergångar mellan rotationsenerginivåer.
Bestämningen av sådana parametrar av molekyler som dipolmomentet och tröghetsmomenten kring huvudaxlarna genom mikrovågsspektroskopi utförs i de allra flesta fall genom att analysera absorptionsspektra för elektromagnetisk strålning i intervallet 10–40 GHz, p.g.a. övergångar av molekylen från en rotationsenerginivå till en annan.
Mikrovågsspektroskopimetoden är mycket noggrann för relativt enkla molekyler, men när molekylvikten ökar börjar vibration-rotationsinteraktionen påverka metodens noggrannhet. Med denna metod bestämdes de geometriska parametrarna för många två-, tre- och fyraatomära molekyler med hög noggrannhet, och en så intressant effekt som inversion undersöktes också. Metoden är dåligt applicerbar på opolära molekyler och används för att studera ämnen endast i gasfas.