Ядра атомов могут находиться в основном и возбужденном состояниях. Переход ядра из одного состояния в другое сопровождается либо поглощением, либо испусканием гамма-кванта коротковолнового рентгеновского излучения (рис. а). Энергия гамма-кванта определяется разностью энергий между основным и возбужденным состояниями ядра атома (E_T ), энергией отдачи ядра (R ~ 10^–1 эВ для свободных атомов) и допплеровским сдвигом (D), вызванным поступательным движением ядра:

Таким образом, энергия гамма-квантов, испускаемых источником, определяется по формуле

E_{испускания} = E_Т – R± D

а энергия гамма-квантов, поглощаемых образцом, по формуле

E_{поглощения} = E_Т + R ± D.

Условием резонанса является равенство:

E_{испускания} ≈ E_{поглощения}.

когда испускаемый возбужденным ядром гамма-квант будет поглощен ядром, находящимся в основном состоянии. Чем меньше энергия отдачи ядра R, тем лучше выполняется условие резонанса. Графически это может быть изображено степенью перекрытия кривых распределения по энергиям испускаемых и поглощаемых квантов (рис. б). Для свободных атомов (например, находящихся в газообразном состоянии), энергия отдачи ядра после поглощения гамма-кванта велика, вследствие чего перекрытие кривых энергетического распределения будет невелико. Но если оба ядра, излучатель и поглотитель, находятся в кристаллической решётке, энергия отдачи превращается в энергию колебаний кристаллической решетки. Отдачу испытывает всё твёрдое тело, масса которого бесконечно велика по сравнению с массой отдельного атома. В результате энергия отдачи становится пренебрежимо малой, а вероятность резонансного процесса возрастает.

Сам Рудольф Мёссбауэр привёл такую аналогию, объясняющую его открытие:

Ситуация … напоминает человека, прицельно бросающего камень из лодки. Бо́льшую часть энергии согласно закону сохранения импульса получает лёгкий камень, но небольшая часть энергии броска переходит в кинетическую энергию получающей отдачу лодки. Летом лодка просто приобретёт некоторое количество движения, соответствующее отдаче, и отплывёт в направлении, противоположном направлению броска. Однако зимой, когда озеро замерзнет, лодку будет удерживать лёд, и практически вся энергия броска будет передана камню, лодке (вместе с замерзшим озером и его берегами) достанется ничтожная доля энергии броска. Таким образом, отдача будет передаваться не одной только лодке, а целому озеру, и бросок будет производиться «без отдачи».

Эффект Мёссбауэра, как правило, наблюдается только в твердом теле при низких температурах для ядер стабильных изотопов, которых насчитывается около 80. Наиболее широкое применение среди таких нашли Fe⁵⁷ и Sn¹¹⁹.

Измерение вероятности резонансного поглощения гамма-квантов и ее зависимости от температуры (мёссбауэровская спектроскопия) является важным методом изучения особенностей взаимодействия атомов в твердых телах.