La lumière est une onde électromagnétique, et sa polarisation  caractérise l'orientation du champ électrique (ou magnétique) dans le plan perpendiculaire à la propagation. Une onde monochromatique, composée d'une vibration unique, est nécessairement polarisée. On distingue la polarisation linéaire (la direction du champ électrique est constante dans le temps) et circulaire (le champ électrique tourne à la fréquence de l'onde); une polarisation elliptique étant une combinaison simple des deux. La lumière naturelle, ou non polarisée, est paradoxalement plus délicate à appréhender : ce n'est pas une solution simple des équations du champ électromagnétique, et sa définition fait appel aux notions de mélange cohérent ou incohérent de plusieurs ondes. En pratique, dans une lumière non polarisée, la direction du champ électrique varie de manière complètement aléatoire au cours du temps, contrairement aux cas précédents de lumière polarisée linéaire et circulaire.

Une lumière partiellement polarisée se définit de la manière la plus générale comme une combinaison d'une lumière naturelle et d'une lumière polarisée elliptiquement. D'autres définitions équivalentes existent :  on peut montrer qu'on peut également la définir comme la combinaison (incohérente, c'est a dire non corrélée) de deux polarisations elliptiques orthogonales.

Pour mesurer la polarisation de la lumière, trois paramètres sont nécessaires, qui peuvent être le degré de polarisation circulaire, le degré de polarisation linéaire et la direction de cette polarisation par rapport à une direction fixe de l'espace. On utilise plus couramment les  paramètres de Stokes, définis comme le degré de polarisation circulaire et deux taux de polarisation rectilignes selon deux axes orientes a 45°. Pour définir complètement la vibration lumineuse, il ne manque que l'intensité totale de la vibration.

L'intérêt de la polarisation de la lumière est de fournir un élément physique supplémentaire aux autres propriétés que sont l'intensité lumineuse et la couleur (ou longueur d'onde). La polarisation est en effet modulée par les mécanismes d'émission ou de diffusion de la lumière  : effet du champ magnétique dans les émissions de raies spectrales (effet Hanle), diffusion Rayleigh (polarisation du ciel bleu), diffusion par les particules des nuages (halos), etc. La polarisation apporte donc un élément d'analyse supplémentaire aux analyses a distance.

La mesure de la polarisation se fait en faisant traverser à la lumière des prismes "polarisants" qui filtrent ou modifient la polarisation de manière calculable afin de déterminer complètement la direction du champ électrique, caractéristique de la polarisation. Les mesures les plus simples concernent la polarisation linéaire ou circulaire; il est rare que l'on mesure toutes les caractéristiques de la polarisation, ce qui nécessite la mesure de trois paramètres indépendants, en plus de l'intensité lumineuse. C'est cependant le cas sur le télescope Themis d'étude du soleil aux îles Canaries, qui permet de cartographier la polarisation de la lumière solaire de manière extrêmement précise.
 

La polarisation de la lumière en planétologie

La lumière provenant des sources planétaires peut acquérir une polarisation sous l'effet de différents phénomènes  : 

- la diffusion sur une surface rugueuse (polarisation des surfaces des corps sans atmosphère) 

- la diffusion dans les nuages de poussières (comètes, poussières interplanétaires, poussières martiennes) ou de nuages atmosphériques (nuages de Vénus, de la Terre, de Jupiter) 

- la diffusion au sein d'une atmosphère, par le gaz lui même (diffusion Rayleigh, responsable aussi de la couleur bleue du ciel sans nuage) 
 

D'autres mécanismes sont également possibles dans les émissions lumineuses de transitions électroniques, comme on en observe dans les aurores polaires des planètes, mais ont encore été peu étudiés. 
 

L'information portée par la polarisation s'ajoute à celle donnée par la variation d'intensité lumineuse avec la longueur d'onde ou les conditions d'éclairement, et peuvent s'interpréter dans les modèles planétaires ou cométaires. Dans le cas de la diffusion par des particules (poussières ou gouttelettes nuageuses), l'information portée par la polarisation sera liée à la taille ou la forme des particules. 

Le cas le plus simple est celui de nuages de gouttelettes, dont la forme est proche de la sphère. Les calculs de transfert de rayonnement sont dans ce cas possible avec un degré d'exactitude bien supérieur au cas fort complexe de la diffusion par des particules non sphériques, qui dépasse encore les capacités de modélisation des ordinateurs. Le cas le plus frappant d'une interprétation rigoureuse de la polarisation est celui de la planète Vénus, où l'épaisse couche de nuages de gouttelettes d'acide sulfurique donne lieu à des effets de polarisation calculables avec précision, et donnant une information sur la distribution en taille des particules de nuages. Les calculs de transfert radiatif pour la diffusion par des particules non sphériques est un enjeu majeur pour une atmosphère comme celle de Titan, où les aérosols sont une source importante d'opacité.

De même, la lumière de la Lune est partiellement polarisée et de l'étude de cette polarisation on a pu déduire certaines propriétés structurales du matériau superficiel qui diffuse la lumière solaire. En particulier la courbe de variation de la proportion de lumière polarisée en fonction de l'angle de phase, est très caractéristique : nulle d'abord, puis maximale dans une direction perpendiculaire au plan Terre-Lune-Soleil, la polarisation s'annule à nouveau pour un certain angle de phase, et croît ensuite, dirigée alors dans le plan Terre-Lune-Soleil. Bernard Lyot, astronome à l'observatoire de Paris, fut le premier à rechercher si, parmi les matériaux dont la présence sur la lune était vraisemblable, il s'en trouvait dont les propriétés optiques ressemblaient à celles de la surface lunaire et à montrer, par les courbes de polarisation, qu'il devait s'agir d'une substance très pulvérulente, ce qui a été confirmé par l'exploration directe.