L'effetto Zeeman, dal nome dello scopritore il fisico olandese Pieter Zeeman, è un'alterazione nella struttura delle righe spettrali di un vapore metallico alcalino sottoposto a un campo magnetico: ciascuna riga dello spettro si scinde in due (doppietto) o tre (tripletto) righe molto vicine.

L'effetto Zeeman presenta caratteristiche diverse a seconda dell'intensità del campo magnetico esterno; questo è dovuto al fatto che lo spin dell'elettrone di valenza del metallo, l'unico che partecipa al fenomeno, interagisce, in condizioni normali, con il momento magnetico creato dal suo stesso orbitare attorno al nucleo atomico. Se l'interazione è grande rispetto a quella tra l'orbita elettronica e il campo magnetico esterno si parla di "effetto Zeeman in campo debole", o semplicemente effetto Zeeman; se invece il campo magnetico è in grado di rompere questo accoppiamento spin-orbita, si ha "l'effetto Zeeman in campo forte", o effetto Paschen-Back.
La struttura delle righe per l'effetto Zeeman normale è diversa secondo la direzione di osservazione: la radiazione emessa lungo la direzione del campo magnetico dà luogo a due righe, polarizzate circolarmente in senso inverso e disposte simmetricamente rispetto alla riga normale, che scompare. La radiazione emessa in direzione normale a quella del campo dà luogo a tre righe, polarizzate linearmente (quella centrale in direzione del campo e quelle laterali in direzione normale, cioé ortogonale), risultanti dalla combinazione della riga normale immutata con due righe di effetto Zeeman, disposte simmetricamente rispetto e essa.

Si indica col nome di "effetto Zeeman anomalo" un'ulteriore struttura iperfine di righe spettrali, osservabile con apparecchi ad alto potere risolvente: tale anomalia è causata dall'interazione con il campo magnetico del momento magnetico di spin dell'elettrone: proprio il tentativo di spiegare questo fenomeno contribuì all'introduzione del concetto di spin in .