三种不同的电磁波波模 (mode)（蓝、绿、红），x-轴长度尺度是微米。
电动力学专门研究电磁波的物理行为，是电磁学的分支。在电动力学里，根据麦克斯韦方程组，随着时间变化的电场产生了磁场，反之亦然。因此，一个振荡中的电场会产生振荡的磁场，而一个振荡中的磁场又会产生振荡的电场，这样子，这些连续不断同相振荡的电场和磁场共同地形成了电磁波[8]:326[9]:894-897。
电场，磁场都遵守叠加原理。[10]:9因为电场和磁场都是矢量场，所有的电场矢量和磁场矢量都适合做矢量加运算。例如，一个行进电磁波，入射于一个介质，会引起介质内的电子振荡，因而使得它们自己也发射电磁波，因而造成折射或衍射等等现象[9]:959-968。
在非线性介质内（例如，某些晶体），电磁波会与电场或磁场产生相互作用，这包括法拉第效应[11]:366-368、克尔效应等等[12]。
当电磁波从一种介质入射于另一种介质时，假若两种介质的折射率不相等，则会产生折射现象，电磁波的方向和速度会改变。斯涅尔定律专门描述折射的物理行为[8]:388。
光通过三棱镜后，因色散造成不同颜色折射至不同的角度，让白光形成可见光谱。假设，由很多不同频率的电磁波组成的光波，从空气入射于棱镜。而因为菱镜内的材料的折射率跟电磁波的频率有关，会产生色散现象：光波会色散成一组可观察到的电磁波谱[8]:398-405。
量子电动力学是描述电磁辐射与物质之间的相互作用的量子理论[13]。电磁波不但会展示出波动性质，它还会展示出粒子性质（参阅波粒二象性）。这些性质已经在很多物理实验中证实，例如，杨氏双缝实验展示出电磁波的波动性质[9]:964-967、光电效应展示出电磁波的粒子性质[9]:1060-1062。有时候，波动性质和粒子性质会出现于同一个实验，例如，在双缝实验里，当单独光子被发射于两条细缝时，单独光子会穿过这两条细缝，自己与自己干涉，就好像波动运动一样。可是，它只会被光电倍增管侦测到一次[9]:1066-1067。当单独光子被发射于马赫-曾德尔干涉仪或其它种干涉仪时，也会观测到类似的自我干涉现象[14]:37-38。
波动模型
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电磁波是横波，电场方向与磁场方向相互垂直，又都垂直于传播方向。
波是由很多前后相继的波峰和波谷所组成，两个相邻的波峰或波谷之间的距离称为波长。电磁波的波长有很多不同的尺寸，从非常长的无线电波（有一个足球场那么长）到非常短的伽马射线（比原子半径还短）[9]:890。
描述光波的一个很重要的物理参数是频率。一个波的频率是它的振荡率，国际单位制单位是赫兹。每秒钟振荡一次的频率是一赫兹。频率与波长成反比：
v
=
ν
λ
{\displaystyle v=\nu \lambda \,\!}
；
其中，
v
{\displaystyle v\,\!}
是波速（在真空里是光速；在其它介质里，小于光速），
ν
{\displaystyle \nu \,\!}
是频率，
λ
{\displaystyle \lambda \,\!}
是波长。
当波从一个介质传播至另一个介质时，波速会改变，但是频率不变[9]:961。
干涉是两个或两个以上的波，叠加形成新的波样式。假若这几个电磁波的电场同方向，磁场也同方向，则这干涉是相长干涉；反之，则是摧毁性干涉[9]:959-962。
电磁波的能量，又称为辐射能。这能量，一半储存于电场，另一半储存于磁场。用方程表达[9]:897-899：
u
=
1
2
μ
0
B
2
+
ϵ
0
2
E
2
{\displaystyle u={\frac {1}{2\mu _{0}}}B^{2}+{\frac {\epsilon _{0}}{2}}E^{2}\,\!}
；
其中，
u
{\displaystyle u\,\!}
是单位体积的能量，
E
{\displaystyle E\,\!}
是电场数值大小，
B
{\displaystyle B\,\!}
是磁场数值大小，
ϵ
0
{\displaystyle \epsilon _{0}\,\!}
是电常数，
μ
0
{\displaystyle \mu _{0}\,\!}
是磁常数。
粒子模型和量子理论
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参见：量子化和量子光学
电磁辐射拥有像粒子的性质。电磁辐射是由离散能量的波包形成的，这波包又称为量子，或光子。光子的能量与电磁辐射的频率成正比。由于光子可以被带电粒子吸收或发射，光子承担了一个重要的角色：能量的传输者。根据普朗克-爱因斯坦关系式，光子的能量是[15]:17, 24
E
=
h
ν
{\displaystyle E=h\nu \,\!}
；
其中，
E
{\displaystyle E\,\!}
是能量，
h
{\displaystyle h\,\!}
是普朗克常数，
ν
{\displaystyle \nu \,\!}
是频率。
光子的动量
p
{\displaystyle p\,\!}
与频率、波长之间的关系为[9]:1063
p
=
E
c
=
h
ν
c
=
h
λ
{\displaystyle p={\frac {E}{c}}={\frac {h\nu }{c}}={\frac {h}{\lambda }}\,\!}
；
当一个光子被原子吸收的同时，也会激发它的束缚电子，将电子的能级升高。假若光子给出的能量足够大，电子可能会逃离原子核的束缚吸引，成为自由电子。这程序称为光离化（英语：photoionization）[16] 。逆反过来，一个跃迁至较低能级的电子，会发射一个能量等于能级差额的光子。由于原子内的电子能级是离散的，每一种原子只能发射和吸收它的特征频率的光子[17]。
综合在一起，这些效应解释了光波的吸收光谱。在介质内的原子，因为吸收不同频率的光波，造成了光谱的"暗线"。光波所通过的介质的组成成分，决定了吸收光谱的表征。举例而言，一个遥远的恒星的光谱，其暗线与恒星的大气尘的原子组合有关．这些暗线对应于原子的容许能级。类似的现象也会发生于光波的发射．当电子从高能级量子态跃迁至低能级量子态的同时，光波也会被发射出来，其能量等于两个能级的差值。这现象显现于星云的发射光谱。今天，科学家用这现象来观测恒星的内部结构．这现象的红移被用来计算恒星离地球的距离。
传播速度
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主条目：光速
呈加速运动的电荷或随着时间而变化的电磁场，会产生电磁辐射。在自由空间里，电磁辐射以光速传播。准确的计算其物理行为必须引用推迟时间的概念。这会增加电场和磁场的表达式的复杂程度（参阅杰斐缅柯方程）。这些多加的项目详细地描述电磁辐射的物理行为。当任意一根导线（或别种导电体，像天线）传导交流电的时候，同频率的电磁辐射也会被发射出来[8]。
在量子层次面，当带电粒子的波包振荡或加速时，会产生电磁辐射带电粒子的量子态可以用几个本征量子态的含时形式的叠加来表达（请参阅双态系统）。当系统处于稳定状态时，由于含时形式会被其复共轭删除，带电粒子处于每一个本征量子态的概率是常数。但是，当系统被摄动时（例如，外电场被开启），概率变为跟时间有关。带电粒子处于某本征量子态的概率会随时间而变化。这样，带电粒子会从某个本征量子态跃迁至另外一个本征量子态，因而产生电磁辐射[17]。
依状况的不同，电磁辐射的物理行为，可能像波动，又可能像粒子。从波动角度，电磁辐射的主要物理特征是速度、波长、频率。从粒子角度，电磁辐射是由一群称为光子的粒子组成。每一个光子的能量
E
{\displaystyle E\,\!}
与波动的频率
ν
{\displaystyle \nu \,\!}
的关系则是由普朗克关系式给出：
E
=
h
ν
{\displaystyle E=h\nu \,\!}
；
其中，
h
{\displaystyle h\,\!}
是普朗克常数。
不论是粒子还是波动，电磁辐射必然遵守一条定则：不管观察者的速度有多快或多慢，相对于观察者，电磁波永远以光速传播于真空。爱因斯坦从这洞察发展出狭义相对论，成为狭义相对论的第二条基本原理。
在其它不同于真空的介质内，电磁波传播的速度会小于光速。一个介质的折射率
n
{\displaystyle n\,\!}
是光速
c
{\displaystyle c\,\!}
与电磁波传播于介质的速度
v
{\displaystyle v\,\!}
的比例：
n
=
c
/
v
{\displaystyle n=c/v\,\!}
。