结构式可以完整地绘出分子内每个原子间的化学键，显示原子在真实三维空间中可能如何排列。分子内的化学键也被显式或隐式地显示出来。与符号数量有限且描述能力有限的化学式不同，结构式提供了更完整的分子结构几何表示。例如，许多化合物以不同的异构形式存在，具有不同的对映体结构，但具有相同的化学式。

确定一个分子的结构是一个复杂而精密的过程。研究者主要是通过培育单晶，进而进行X射线衍射的方式来确定其晶体结构。在获得晶体结构后，进一步确定分子的结构式。

最早被提出的是路易斯（Lewis）结构式。路易斯结构（或路易斯点结构）是平面图形结构式，显示原子连通性和孤对或未成对电子，但不是三维结构。这种表示法主要用于小分子。每条线代表单键的两个电子。原子对之间的两条或三条平行线分别代表双键或三键。或者，可以使用成对的点来表示结合对。此外，还指出了所有非键合电子（成对或未成对）和原子上的任何形式电荷。例如：

此外，还有缩写结构式（condensed formula）。在早期的有机化学出版物中，图形的使用受到很大限制，出现了一种排版系统来描述一行文本中的有机结构。尽管该系统在应用于环状化合物时往往会出现问题，但仍然是表示简单结构的便捷方式。如CH₃CH₂OH（乙醇）。括号用于表示多个相同的基团，当出现在结构式中时，表示连接到左侧最近的非氢原子，或出现在公式开头时表示连接到右侧的原子。例如，(CH₃)₂CHOH或CH(CH₃)₂OH（2-丙醇），这种结构式显示了所有原子，包括氢原子。

除此之外，骨架结构式（skeletal formula）也是比较常见的一个结构式。骨架结构式是更复杂的有机分子的标准符号。在有机化学家F.A.凯库勒首次使用的这种类型的结构式中，暗示碳原子位于线段的顶点（角）和末端，而不是用原子符号C表示。附加氢原子未指明碳原子：每个碳原子被理解为与足够的氢原子相关联，从而为碳原子提供四个键。碳原子上正电荷或负电荷的存在取代了隐含的氢原子之一。但是在这种结构中，与碳以外的原子相连的氢原子必须明确写出。例如，异丁醇(CH₃)₂CHCH₂OH的骨架式表示为：

当分子式相同时，也有可能不是一种物质，有可能是同分异构体。在化学中，同分异构体是指有着相同分子式的分子，各原子间的化学键也常常是相同的，但是原子的排列却是不同的。也就是说，有着不同的结构式。同分异构现象是有机化合物种类繁多数量巨大的原因之一。同分异构体的组成和分子量完全相同而分子的结构不同、物理性质和化学性质也不相同。

为了描述立体化学，如下几种方法被开发出来描绘分子中原子的三维排列。

下式是士的宁（strychnine）的骨架式。在顶部的氮（N）处看到的实心楔形键表示指向平面上方的键，而在底部的氢（H）处看到的虚线楔形键表示位于平面下方的键。骨架结构式中的手性由纳塔（Natta）投影方法表示。实心楔代表指向纸平面上方的键，而虚线楔代表指向平面下方的键。

下式表示果糖分子，果糖分子与左侧的HOCH₂—基团连有波浪键，波浪键代表未知或未指定的立体化学或异构体的混合物。在这种情况下，两种可能的环结构彼此处于化学平衡状态，也具有开链结构。环会自动打开和关闭，有时以一种立体构型闭环，有时以另一种立体构型闭环。

骨架式也可以描述烯烃的顺式和反式异构体。波浪键是表示未知或未指定立体化学或异构体混合物（如四面体立体中心）的标准方式。有时使用交叉双键，但不再被认为是普遍使用的可接受样式。

纽曼投影式（Newman projection）和锯木架形投影式（sawhorse projection）用于描绘特定的构象异构体或区分邻位立体化学。在这两种情况下，两个特定的碳原子及其连接键都是关注的焦点。唯一的区别是视角略有不同：纽曼投影式直接向下看关注的碳，锯木架形投影式从一个稍微倾斜的有利位置看相同的碳。在纽曼投影式中，圆圈用于表示垂直于键的平面，以区分前碳上的取代基和后碳上的取代基。在锯木架形投影式中，前碳通常在左侧，并且总是稍低。例如，丁烷的纽曼投影式和锯木架形投影式分别表示为：

霍沃思投影式用于表示环糖。其不区分轴向和横向位置，相反，取代基位于其所连接的环原子的正上方或正下方。这种表示方法通常省略氢取代基。例如，β-D-葡萄糖的霍沃斯投影式如下：

费歇尔投影式主要用于线性单糖。在任何给定的碳中心，垂直键合线相当于立体化学散列标记，远离观察者，而水平线相当于楔形，指向观察者。这种预测是不切实际的，因为糖类永远不会采用这种多重重叠的构象。尽管如此，费歇尔投影式是一种描述多个连续立体中心的简单方法，不需要任何实际构象的知识。例如，D-葡萄糖的费歇尔投影式如下：

结构式是一种简化模型，不能代表化学结构的某些方面。例如，形式化键合可能不适用于动态系统，例如离域键合。芳香性就是这样一种情况，依赖于惯例来表示结合。不同风格的结构式可能以不同的方式表示芳香性，从而导致对同一化合物的不同描述。但是结构式提供给研究者一个形象的图形来表示分子，为交流和探究分子的性质提供了很大帮助。