分子由原子组成。原子通过一定的作用力、一定的次序和排列方式结合成分子。有的分子只由一个原子组成称单原子分子，惰性气体分子氖、氩、氪、氙等均属此类。单原子分子既是原子又是分子。有两个原子组成的分子称双原子分子。如氧分子由两个氧原子组成，为同核双原子分子；一氧化碳分子由一个氧原子和一个碳原子组成，为异核双原子分子。有两个以上原子组成的分子统称为多原子分子，如水分子由两个氢原子和一个氧原子组成。分子中的原子数可以为几个、几十个乃至成千上万个。

分子的存在形式可为气态、液态或固态。分子除可平移运动，还有分子转动和分子内原子的各种类型的振动。分子内部振动和转动的幅度比气体中分子平移运动的幅度要小得多。分子内部的振动和转动不会破坏分子的固有特性。作为物质组成的单元，分子构成了陆地、海洋、大气乃至空气中大多数物质。

对分子结构及其性质的研究，形成了分子物理学。通常所说的分子结构是指分子内的原子的成键方式及处在平衡位置时的空间结构。分子内的电子运动、原子振动及其分子转动运动决定了处于不同频谱波段分子电磁波谱的性质。利用分子谱学方法（包括光谱、光电子谱、射频谱及核磁共振谱学等）可以研究分子内部各种运动状况。对作为微观体系的分子的结构及其性质研究，产生了分子的量子力学研究方法，即量子化学。

组成分子的成分相同、原子的排列次序不同而形成两种或两种以上分子的现象称为同分异构现象。这些成分相同结构不同的分子称为同分异构体。

分子的构型是指分子中原子在空间的排列次序与分布。分子中原子间的化学键长与键角称为立体构型参数。有些分子在一定构型条件下其形状会随原子的相应相对位置而改变，这种情况称为分子的构象。不同构象的分子其能量有一定差别，对称性也不同。

在一定状态下分子的形状和大小、结构和性质都是一定的。通过一些物理实验（包括分子谱学方法和理论计算），可得到分子的平均运动速度、碰撞频率、分子直径（按球体直径计算）、电离能、离解能、核间距离（键长）、分子振动和力常数、偶极矩等物理量，这些数据统称为分子常数。它们是描述分子结构和物理性质的重要数据。测量各种分子常数发展了气相分子束技术，使分子在真空中形成沿着同一方向运动的射流，忽略分子之间的相互作用。新发展的冷分子技术进一步使得分子常数及分子光谱测量精密化。

分子有确定的质量。分子的质量与¹²C原子质量的1/12之比称作分子量。分子的分子量可通过不同的实验方法测量。通常把分子量大于10 000的分子称为高分子。分子量大到一定程度，就会出现一些特有的性质。塑料和橡胶等都是高分子材料，在工业和国民经济的诸多领域都有重要的应用。对生物大分子结构和功能的研究，是生命科学特别是分子生物学的重要内容。

分子在光、电、热等形式能量的作用下，可能改变结构，由分子的基态跃迁到分子的激发态。分子激发态的寿命一般都很短（微秒、纳秒或更短）。利用闪光光解、分子光谱及超快谱学实验，能够研究分子激发态的寿命、结构和性质。科学研究利用超快飞秒（10^-15秒）光脉冲结合泵浦-探测方法，已经能够准确地观察到分子内部原子核的运动，实现了对分子的形成或解离过程的实时测量；先进的阿秒（10^-18秒）光脉冲产生，使观测分子内部的电子运动成为可能，将对进一步认识分子结构、物质构成和反应过程的本质及其调控产生重要作用。

射电天文学的研究表明，星际空间也存在着许多种分子，包括一些在地球上不稳定的分子。由于其密度很小，分子间互不干扰，可以长期存在。星际空间分子谱学测量不仅能够提供星际物质的组分信息，而且通过与实验室精密谱对比测量，还能提供物理常数随时间变化可能存在的变化信息。