镧系元素是第57号元素镧到71号元素镥15种元素的统称。镧系元素的外层和次外层的电子构型基本相同，电子逐一填充到4f轨道上。镧系元素也属于过渡元素，只是镧系元素新增加的电子大都填入了从外侧数第三个电子层（即4f电子层）中，所以镧系元素又可以称为4f系。为了区别于元素周期表中的d区过渡元素，故又将镧系元素（及锕系元素）称为内过渡元素。由于镧系元素都是金属，所以又可以和锕系元素统称为f区金属。镧系元素用符号Ln表示。
镧系元素原子基态的电子构型是4f0~145d0~16s2。
镧系元素在固态、水溶液中或其他溶剂中的特征氧化态是+3。由于镧系元素在气态时，失去两个6s电子和一个5d电子或失去两个6s电子和一个4f电子所需的电离能比较底，所以一般能形成稳定的+3氧化态。除+3特征氧化态外，镧系元素还存在着一些不常见的氧化态。例如：铈、镨、钕、铽、镝存在+4氧化态，原因是它们的4f层保持或接近全空、半满或全充满的状态比较稳定，但只有+4氧化态的铈能存在于溶液中，它是很强的氧化剂。
同理，铈、钕、钐、铕、铥、镱还存在+2氧化态。
与同族的钪、钇、镧原子半径逐渐增大的规律恰恰相反，从铈到镥则是逐渐减小。这种镧系元素的原子半径和离子半径随原子序数的增加而逐渐减小的现象称为镧系收缩。
| 原子序数 | 元素名称 | 原子半径（pm) | +2离子半径(pm) | +3离子半径(pm) | +4离子半径(pm) |
|---|---|---|---|---|---|
| 58 | 铈（Ce） | 182.47 | —— | 103.4 | 92.0 |
| 59 | 镨（Pr） | 182.79 | —— | 101.3 | 90.0 |
| 60 | 钕（Nd） | 182.14 | —— | 99.5 | —— |
| 61 | 钷（Pm） | （181.1） | —— | （97.9） | —— |
| 62 | 钐（Sm） | 180.41 | 111.0 | 96.4 | —— |
| 63 | 铕（Eu） | 204.18 | 109.0 | 95.0 | —— |
| 64 | 钆（Gd） | 180.13 | —— | 93.8 | 84.0 |
| 65 | 铽（Tb） | 178.33 | —— | 92.3 | 84.0 |
| 66 | 镝（Dy） | 177.40 | —— | 90.8 | —— |
| 67 | 钬（Ho） | 176.61 | —— | 89.4 | —— |
| 68 | 铒（Er） | 175.66 | —— | 88.1 | —— |
| 69 | 铥（Tm） | 174.62 | 94.0 | 86.9 | —— |
| 70 | 镱（Yb） | 193.92 | 93.0 | 85.8 | —— |
| 71 | 镥（Lu） | 173.49 | —— | 84.8 | —— |