纵向扩散（longitudinal diffusion）是溶质分子在移动方向上向前和向后的扩散，即x轴方向的扩散。它是由浓度梯度所引起。样品从柱入口加入，样品带像一个塞子随流动相向前推进，由于存在浓度梯度，塞子必然会自发地向前和向后扩散，引起谱带展宽。纵向扩散引起的峰展宽的大小由下式决定：
σ^2=（2γm·Dm·L)/v
式中：γm为弯曲因子或阻碍因子，它反映固定相颗粒的几何形状对溶质分子扩散的阻碍情况，γm通常小于1；v为流动相线速度；Dm为溶质在流动相中的扩散系数,Dm与溶质性质、柱温、压力和流动相性质等许多因素有关。溶质分子在溶液中的扩散系数只有在气体中的约十万分之一，所以气相色谱中的纵向扩散要比液相色谱中大得多。在纵向扩散引起峰展宽的示意图中，随着样品带在固定相中的移动，因纵向扩散使样品带宽逐渐增加，相应地，得到的色谱峰就越来越宽而矮。
