Essa técnica desenvolvida por John Chowning no início dos anos 70 foi bastante utilizada a partir dos anos 80. Em relação a técnicas como a síntese aditiva ou a síntese subtrativa a modulação por FM é bastante econômica.

Em FM uma onda portadora tem sua frequência modulada por uma onda moduladora. Quando a frequência da moduladora é baixa, o efeito é de uma variação da frequência portadora conhecida como vibrato. Quando a frequência da moduladora está na faixa audível, o que ocorre é o surgimento de frequências (sidebands) em torno da portadora. Ao contrário do que acontece com as técnicas de AM e RM, em FM são gerados não apenas dois parciais (sidebands), um acima e outro abaixo da frequência portadora, mas vários. Cada um desses parciais aparece a uma distância da onda portadora que é múltipla da frequência moduladora, sendo que o número de parciais existentes é proporcional à quantidade de modulação aplicada.

Um parâmetro importante em FM é a relação Fm/Fc, conhecida como razão de harmonicidade. Quando essa relação é um número inteiro, as frequências geradas têm uma relação harmônica com a onda portadora.

A largura do espectro de um som gerado por FM é dada por um índice de modulação I, definido como:

I = D / M

onde D é a quantidade de desvio em relação à frequência portadora e M a frequência da onda moduladora. Por exemplo, uma frequência portadora de 500Hz modulada por uma onda de 100Hz tem um índice de modulação I igual a 4. Quando I é maior que zero, os parciais (sidebands) ocorrem acima e abaixo da frequência portadora em intervalos regulares iguais a M. Quanto maior o I, maior o número de parciais, porém menor a amplitude de C. Pode-se assumir que a largura do espectro é aproximadamente duas vezes a soma do desvio D e da frequência modulante M:

espectro FM ~ 2 x (D + M)