Obecně je molekula nejmenší částicí čisté chemické látky, která si stále zachovává své složení a chemické vlastnosti. V chemii a molekulárních vědách je molekula dostatečně stabilní, elektricky neutrální entita složená ze dvou nebo více atomů. Pojem monatomická molekula (jednoatom, jako v ušlechtilých plynech) se používá téměř výhradně v kinetické teorii plynů.
Věda o molekulách se v závislosti na zaměření nazývá molekulární chemie nebo molekulární fyzika. Molekulární chemie se zabývá zákony upravujícími interakci mezi molekulami, která má za následek vznik a porušení chemických vazeb, zatímco molekulární fyzika se zabývá zákony upravujícími jejich strukturu a vlastnosti. V praxi je však toto rozlišení vágní. V molekulárních vědách se molekula skládá ze stabilního systému (vázaného stavu), který se skládá ze dvou nebo více atomů. Termín nestabilní molekula se používá pro velmi reaktivní druhy, tj. krátkodobé shluky (rezonance) elektronů a jader, jako jsou radikály, molekulární ionty, Rydbergovy molekuly, přechodové stavy, Van der Waalsovy komplexy nebo systémy kolidujících atomů jako v Boseho-Einsteinových kondenzátech. Zvláštní použití termínu molekula je jako synonymum pro kovalentní, které vyplývá ze skutečnosti, že na rozdíl od molekulárních kovalentních sloučenin iontové sloučeniny nevytvářejí přesně definované nejmenší částice, které by byly v souladu s výše uvedenou definicí. Pro kovalentní krystaly nebo síťové pevné látky, které jsou složeny z opakujících se jednotkových buněk, které se nekonečně rozšiřují buď v rovině (jako v grafitu), nebo trojrozměrně (jako v diamantu), nelze definovat žádnou typickou „nejmenší částici“.
Obrázek 1. 3D (vlevo a uprostřed) a 2D (vpravo) reprezentace terpenoidu, atisanu. Ve 3D modelu vlevo jsou atomy uhlíku reprezentovány šedými koulemi; bílé koule reprezentují atomy vodíku a válce představují vazby. Model je obalen „síťovou“ reprezentací molekulárního povrchu, obarvenou oblastmi kladného (červeného) a záporného (modrého) elektrického náboje. Ve 3D modelu (uprostřed) představují světle modré koule atomy uhlíku, bílé koule jsou atomy vodíku a válce mezi atomy odpovídají jednotlivým vazbám.
Ačkoli koncept molekul byl poprvé představen v roce 1811 Avogadrem a byl přijat mnoha chemiky jako výsledek Daltonových zákonů definitivních a vícenásobných proporcí (1803-1808), s pozoruhodnými výjimkami (Boltzmann, Maxwell, Gibbs), existence molekul jako čehokoliv jiného než výhodných matematických konstruktů byla stále otevřenou debatou ve fyzikální komunitě až do Perrinovy práce (1911) a byla usilovně bráněna ranými positvisty, jako byl Mach. Moderní teorie molekul velmi využívá mnoha numerických technik, které nabízí výpočetní chemie. Desítky molekul byly nyní identifikovány v mezihvězdném prostoru mikrovlnnou spektroskopií.
V molekule jsou atomy spojeny sdílenými elektronovými páry v chemické vazbě. Může se skládat z atomů stejného chemického prvku, jako u kyslíku (O2), nebo z různých prvků, jako u vody (H2O).
Většina molekul je příliš malá na to, aby byla vidět pouhým okem, ale existují výjimky. DNA, makromolekula, může dosáhnout makroskopické velikosti.
Nejmenší molekulou je molekula vodíku. Intertomická vzdálenost je 0,15 nanometru (1,5 Å). Velikost jejího elektronového mraku je však obtížné přesně definovat. Za standardních podmínek mají molekuly rozměr několik až několik desítek Å.
Empirický vzorec molekuly je nejjednodušší celočíselný poměr chemických prvků, které tvoří sloučeninu. Například v jejich čistých formách je voda vždy složena z poměru vodíku a kyslíku 2:1 a ethylalkohol nebo ethanol jsou vždy složeny z uhlíku, vodíku a kyslíku v poměru 2:6:1. To však neurčuje druh molekuly jednoznačně – například dimethylether má stejný poměr jako ethanol. Molekuly se stejnými atomy v různém uspořádání se nazývají izomery. Empirický vzorec je často stejný jako molekulární vzorec, ale ne vždy. Například molekula acetylenu má molekulární vzorec C2H2, ale nejjednodušší celočíselný poměr prvků je CH.
Chemický vzorec vyjadřuje přesný počet atomů, z nichž se skládá molekula. Molekulovou hmotnost lze vypočítat z chemického vzorce a vyjadřuje se v konvenčních jednotkách rovnajících se 1/12 z hmotnosti atomu izotopu 12C. Pro síťové pevné látky se pojem vzorcová jednotka používá ve stechiometrických výpočtech.
Molekuly mají pevně dané rovnovážné geometrie – délky a úhly vazeb – kolem nichž nepřetržitě kmitají vibračními a rotačními pohyby. Čistá látka je složena z molekul se stejnou průměrnou geometrickou strukturou. Chemický vzorec a struktura molekuly jsou dva důležité faktory, které určují její vlastnosti, zejména její reaktivitu. Izomery mají společný chemický vzorec, ale běžně mají velmi odlišné vlastnosti kvůli své odlišné struktuře. Stereoizomery, určitý typ izomerů, mohou mít velmi podobné fyzikálně-chemické vlastnosti a zároveň velmi odlišné biochemické aktivity.
Molekulární spektroskopie se zabývá odezvou (spektrem) molekul interagujících se sondujícími signály známé energie (nebo frekvence, podle Planckova vzorce). Teoretické pozadí pro spektroskopii poskytuje teorie rozptylu.
Sondážním signálem použitým ve spektroskopii může být elektromagnetická vlna nebo paprsek částic (elektrony, pozitrony atd.) Molekulární odezva se může skládat z absorpce signálu (absorpční spektroskopie), emise jiného signálu (emisní spektroskopie), fragmentace nebo chemických změn.
Spektroskopie je uznávána jako mocný nástroj při zkoumání mikroskopických vlastností molekul, zejména jejich energetické hladiny. Pro získání maximálních mikroskopických informací z experimentálních výsledků je spektroskopie často spojena s chemickými výpočty.