Га́мма-спектроскопи́я ($\gamma$-спектроскопия), раздел ядерной физики, посвящённый исследованиям энергетических спектров гамма-квантов (зависимости числа $\gamma$-квантов от их энергии), испускаемых атомными ядрами при их распаде или в ядерных реакциях. В более широком смысле гамма-спектроскопия включает в себя исследование всех характеристик
$\gamma$-излучения, испускаемого не только ядрами, но и атомами и элементарными частицами. К характеристикам $\gamma$-излучения относятся его энергия, момент количества движения (мультипольность), поляризация (преимущественная направленность вектора электрической напряжённости $\gamma$-кванта) и др. В исследованиях по гамма-спектроскопии используются специальные приборы – гамма-спектрометры.

Поскольку $\gamma$-кванты, испускаемые атомными ядрами и другими микрообъектами, образуются при переходах из состояний (с уровней) с большей энергией в состояния (на уровни) с меньшей энергией, то по спектральным линиям в спектрах $\gamma$-квантов устанавливаются схемы энергетических уровней этих объектов, прежде всего атомных ядер. По ширинам этих линий можно определить времена жизни состояний ядер и вероятности их распада. Знание вероятности вылета $\gamma$-квантов под различными углами позволяет найти их мультипольности (т. е. полные угловые моменты). Определение поляризации испущенных ядром $\gamma$-квантов вместе со знанием их мультипольности позволяет найти спины и чётности ядерных состояний, между которыми происходят переходы с испусканием $\gamma$-квантов ($\gamma$-переходы). Кроме того, по характеристикам $\gamma$-переходов можно определить электрические квадрупольные и магнитные дипольные моменты ядер, т. е. распределения зарядов и токов в ядрах в различных состояниях. По всей совокупности полученных в экспериментах по $\gamma$-спектроскопии данных расшифровывается физическая природа ядерных состояний и делаются выводы о строении атомных ядер и взаимодействиях в них нуклонов.

Методы $\gamma$-спектроскопии являются наиболее точными при определении характеристик атомных ядер, поскольку за испускание $\gamma$-квантов ответственно электромагнитное взаимодействие, свойства которого изучены лучше, чем свойства других фундаментальных взаимодействий, и используемые спектрометры имеют наивысшие разрешающие способности. Интерпретация экспериментальных данных, полученных методами
$\gamma$-спектроскопии, является наиболее простой и однозначной.