On définit la luminescence comme un processus au cours duquel est engendrée une émission d'un rayonnement électromagnétique (lumière) d'origine non thermique. Plus exactement, c'est une émission de photons optiques (proche UV, lumière visible, infrarouge) en excès par rapport à l'émission thermique normale associée à la température de l'objet qui émet et qui continue pendant un temps largement supérieur à la période d'oscillation de l'onde associée au photon (>10-10 s ( 100 picoseconde)) ce qui la distingue des phénomènes de diffusion de la lumière (scattering) - comme par exemple la diffusion Raman - qui cessent immédiatemment après l'arrêt de l'excitation externe ( dans un délai < 10-15 s (1 femtoseconde)). Le mécanisme d'émission des photons permet de faire la distinction entre la fluorescence et la phosphorescence.
Très souvent on néglige dans la définition cet aspect lié au temps. Pourtant, c'est ce qui explique en partie le côté complexe du phénomène de luminescence; pendant ces quelques fractions de seconde en effet, bien des processus peuvent se produire qui modifie l'émission de lumière.
Le rayonnement de luminescence émit correspond pour simplifier à la restitution d'une partie de l'énergie absorbée issue de la source d'excitation extérieure.
La luminescence est un phénomène qui peut s'observer dans toutes les formes de matière condensée ou non, organique ou inorganique, cristalline ou amorphe telles les gaz, les liquides, les solides, les substances minérales, organiques ou biologiques.
Le processus de luminescence se décompose toujours au minimum en deux phases : l'excitation du système électronique et sa désexcitation pendant laquelle l'émission lumineuse se produit. L'excitation et l'émission sont cependant séparées par des phases intermédiaires dont le mécanisme permet de distinguer deux types d'émission lumineuse : la fluorescence et la phosphorescence qui correspond à une transition interdite. Généralement, dans le cas de la fluorescence l'émission suit l'excitation d'un temps très court (durée de vie de l'ordre de 10-8 s) alors que pour la phosphorescence, ce temps peut varier de la fraction de seconde à plusieurs jours ! Il existe cependant des fluorescences retardées ayant des durées de vie comparables à celles de la phosphorescence mais dont le mécanisme ne passe pas par un état interdit, ce qui les classe donc bien dans le phénomène de fluorescence. Contrairement à l'habitude courante en minéralogie, la durée de la persistance de l'émission après l'arrêt de l'excitation n'est donc pas un critère absolu pour distinguer de manière sûre fluorescence et phosphorescence.
On classe les différents type de luminescence suivant la source d'énergie qui excite l'émission des photons:
En minéralogie, seules la photoluminescence (fluorescence et phosphorescence) et la cathodoluminescence sont réellement étudiées. Anecdotiquement la triboluminescence est signalée.
La thermoluminescence est quant à elle devenue une technique de routine pour dater les objets dans le domaine de l'archéologie.