La spectroscopie infra-rouge est adaptée à l'analyse de tout type d'échantillon.
Les solides peuvent être analysés purs ou insérés dans une matrice transparente en infra-rouge, telle que des halogénures d'alcalin (KBr par exemple). La quantité nécessaire est d'environ 1 à 2 mg.

Les liquides peuvent aussi être analysés purs ou dilués dans un solvant. Cependant, les solvants étant très rarement transparents en IR, leur contribution est parfois gênante sur le spectre. Les quantités nécessaires pour enregistrer un spectre sont ici également faibles, 1 à 2µL.
Il en est de même pour les gaz qui peuvent être analysés purs ou sous forme de mélange.

Tous ces types d'échantillons peuvent être analysés par transmission, en pastille écrasée pour les solides ou dans des cellules de KBr par exemple pour les liquides et gaz. Les gaz étant en général peu concentrés, le trajet optique peut aller de 10 cm à plusieurs mètres par réflexions successives. Alors que les cellules pour liquide ont un trajet optique inférieur à 1 mm.
Il existe également des méthodes de réflexion pour les liquides et les solides telles que l'ATR (réflexion totale atténuée), la réflexion diffuse ou la réflexion spéculaire.
L'ATR est la plus répandue et permet comme par transmission de réaliser des analyses quantitatives.