As diferentes espectroscopias estudam as transições entre os diferentes níveis de energia. A espectroscopia infravermelha, por exemplo, estuda transições entre os níveis energéticos da vibração molecular, a espectroscopia ultravioleta e visível estuda as transições eletrônicas e a  espectroscopia Mössbauer se ocupa das transições nucleares.

Em química, associam-se os níveis energéticos com orbitais para relacionar a distribuição espacial dos elétrons com a sua reatividade atômica. Apresentam especial importância os níveis energéticos do orbital molecular mais alto ocupado, homo, e o orbital mais baixo vazio.