傅里叶级数的性质是其理论基础的关键部分，它涉及到函数的表示和收敛性。首先，对于满足狄利赫里条件的周期函数，其傅里叶级数会确保收敛。狄利赫里的条件包括：函数在任一周期内绝对可积，只在有限区间内有有限个最大值或最小值，以及有限个第一类间断点。这保证了级数的稳健性。
然而，值得注意的是，当函数在不可导点上，如方波信号，如果只取有限项进行计算，就会出现吉布斯现象，即在这些点上，傅里叶和的值会有起伏。这表明级数在这些特殊点的近似并非平滑的。
傅里叶级数的正交性是其独特性质，它表明不同频率的三角函数在特定区间上是相互独立的，其内积为零。例如，\int _{0}^{2\pi}\sin (nx)\cos (mx) \,dx=0; 当n不等于m时。这种正交性确保了不同模式的独立表示，便于我们分析和合成信号。
对于奇偶性，奇函数可以用正弦级数表示，而偶函数则用余弦级数。奇函数的傅里叶级数为f_o(x) = \sum _{-\infty}^{+\infty}b_k \sin(kx)，偶函数则为f_e(x) = \frac{a_0}{2}+\sum _{-\infty}^{+\infty}a_k\cos(kx)。欧拉公式在这里起了重要作用，它将这些基本关系连接起来。
更广泛地说，对于正交函数系，如果函数f(x)在有限区间内有有限个间断点且满足封闭性方程，其傅里叶级数\sum _{k=1}^{\infty} c_k\phi _k(x) 将会收敛。这个收敛性不仅限于级数的形式，还伴随着贝塞尔不等式，它保证了函数能量的下界总是大于级数的平方和。
最后，不论级数是否收敛，我们总是有能量的不等式，这再次强调了傅里叶级数在表示函数时的严谨性。通过单位正交基，我们可以直观地理解级数中每个项的投影，这进一步揭示了傅里叶级数的内在结构。
法国数学家傅里叶发现，任何周期函数都可以用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示（选择正弦函数与余弦函数作为基函数是因为它们是正交的），后世称为傅里叶级数（法文：série de Fourier，或译为傅里叶级数）一种特殊的三角级数。