分子结构，或称分子立体结构、分子形状、分子几何，建立在 光谱学 数据之上，用以描述分子中 原子 的三维排列方式。分子结构在很大程度上影响了 化学物质 的反应性、 极性 、相态、颜色、磁性和 生物活性 。
简介
测定
分子结构最好在接近 绝对零度 的温度下测定，因为随着温度升高，分子转动也增加。 量子力学 和半实验 的分子模拟计算可以得出分子形状，固态分子的结构也可通过X射线 晶体学 测定。体积较大的分子通常以多个稳定的构象存在， 势能面 中这些构象之间的能垒较高。
空间关系
分子结构涉及原子在空间中的位置，与键结的 化学键 种类有关，包括键长、键角以及相邻三个键之间的 二面角 。
原子 在分子中的成键情形与空间排列 。分子结构对物质的物理与 化学性质 有决定性的关系。最简单的分子是氢分子，1克氢含1023个以上的氢分子。水分子中2个氢原子都连接到一个中心氧原子上，所成键角是104.5°。分子中原子的空间关系不是固定的，除了分子本身在气体和液体中的平动外，分子结构中的各部分也都处于连续的运动中。因此分子结构与温度有关。分子所处的状态（固态、液态、气态、溶解在溶液中或 吸附 在表面上）不同，分子的精确尺寸也不同。
因尚无真正适用的分子结构理论，复杂分子的细致结构不能 预言 ，只能从实验测得。 量子力学 认为， 原子 中的轨道 电子 具有波动性，用数学方法处理电子 驻波 （ 原子轨道 ）就能确定原子间或原子团间键的形成方式。原子中的电子轨道在空间 重叠 愈多，形成的键愈稳定。量子力学方法是建立在 实验数据 和近似的数学运算（由高速电子 计算机 进行运算）相结合的基础上的，对简单的体系才是精确的，例如对水分子形状的预言。另一种理论是把分子看成一个 静电平衡 体系：电子和 原子核 的 引力 倾向于最大，电子间的斥力倾向于最小，各原子核和相邻原子中电子的引力也是很重要的。为了使负电中心的斥力减至最小，体系尽可能对称的排列，所以当体系有2个 电子 对时，它们呈线型排列（180°）；有3个电子对时呈三角平面排列，键角120°。
极限类型
分子的键有三种极限类型，即 离子键 、 共价键 和 金属键 。定位于2个 原子 之间的键称为定域键。由多个原子的共有电子形成的 多中心键 称为离域键。此外还有过渡类型的键：键电子偏向一方的共价键称为极性键，由一方提供成键电子的键称为 配位键 。通过这些类型的键把原子按一定的空间排列结合成分子，形成 分子的构型 和构象。例如碳是共享 电子对 键（共价键）的基本参加者，碳和氢2 种元素的原子可形成烃类化合物， 正四面体 构的CH4是其中最简单的烃，还可形成 环状化合物 ，例如环己 ；硅和氧是矿物质的基本元素，云母和 石英 都含有 硅土 单元。金属 原子 被夹在烃环平面中间构成 夹心化合物 。 蛋白质 的基本成分是一端接碱性基，一端接酸性基的二官能分子α-氨基酸。 化学 组成和分子量相同但分子结构不同的物质互称为异构体。当2 种异构体其他性质相同，只是旋光方向相反，这一类异构体称作旋光异构体。可用X射线等 衍射 法、各种光谱、波谱、能谱和 质谱法 等测定或推测分子的结构。
温度影响
由于分子中原子的运动由 量子力学 决定，因此“运动”这个概念也必须要建立在量子力学基础之上。总体（外部）的量子力学运动——如平移和旋转几乎不改变分子的结构（由旋转导致的 科里奥利力 和 离心 扭曲以及由此导致的形状变化在此可以忽略）。内部运动包括振动，隶属于 谐波 ，即 原子 即使在 绝对零度 仍会在平衡间振荡。此时所有原子都处于振动 基态 ，具有 零点能量 ，振动模式的 波函数 也不是一个尖峰，而是有限宽度的指数。随着温度升高，振动模式（自由度）被热激发，用通俗的话讲是 分子振动 加快，而它们仍然只在分子特定部分振荡。
路德维希·玻尔兹曼 分布可以量度温度对分子振动的影响：exp(-ΔE/kT)，其中ΔE是振动模式的激发能，k是波尔兹曼 常数 ，T是 开尔文 。在298K（25 °C）下，典型的波尔兹曼因子值为：ΔE= 500 cm-1 --> 0.089；ΔE = 1000 cm-1 --> 0.008；ΔE = 1500 cm-1 --> 7 * 10-4。即，如果激发能为500 cm-1，那么大约9%的分子在室温时会处于热 激发态 。对水分子而言，其弯曲模式具有最低的激发能，大约为1600 cm-1，因此室温下水分子中振动速度比 绝对零度 时快的分子占不到0.07%。
虽然转动很难影响分子结构，但作为一个 量子力学 运动，相对振动而言它在低温下热激发程度较高。从 经典力学 角度来看即是，更多分子在高温下转动更快（它们具有更大的 角速度 和 角动量 ）；而从量子力学角度看则是，随温度升高，更多角动量较大的本征态开始聚集。典型的转动激发能数量级在几cm-1。
由于涉及转动态，很多 光谱学 的 实验数据 都被扩大了。而转动运动随温度升高而变得激烈，因此，低温下的分子结构数据往往更加可靠，而从高温下的光谱很难得出分子结构。
成键
根据定义，分子中的 原子 是由 共价键 （包括 单键 、 双键 、叁键等）或/和 离子键 连结起来的，因此分子形状可通过键长、键角和 二面角 这些参数来阐明。键长被定义为任何分子中，两个原子中心间的平均距离；键角是相邻三个原子两条键之间的夹角；而二面角，或称扭转角，则相对于四个相邻原子而言，是前三个原子所形成的平面与剩下一根键之间所成的角度。
电子 的 量子力学 性质决定分子结构，因此可通过 价键理论 近似来理解 化学键 类型对结构的影响。 杂化轨道 理论认为，先有 原子轨道 间的杂化，才有化学键的生成。至于化学键，其中两种最常见的为σ键和π键，而含 离域电子 的结构可借助 分子轨道理论 来理解。
研究 原子 和分子中电子的类波行为隶属于 量子化学 的范畴。
同分异构
具有相同 化学式 但不同结构的物质被称为异构体，它们常有不同的性质。
纯净物 只由异构体中的一种构成，因此所有分子结构相同。
构造异构体中原子排列顺序不同，性质也常有不同，例如 丙醇 和 2-丙醇 。
官能团 异构体是由于含有不同官能团而导致异构的异构体，例如醚和醇。
立体异构体 物理性质 可能类似（例如 熔点 和 沸点 ），但生化活性一般不同。这是由于它们具有手性，必须要有特定的 立体结构 才可以与其他 底物 结合。一对立体异构体可使平面偏振光偏转相同的角度，但是在相反方向上。
蛋白质 折叠关系到 有机高分子化合物 蛋白质的构象取向问题。
类型
分子有六种基本形状类型：
直线型：AB2型所有 原子 处在一条直线上，键角为180°，例如 二氧化碳 O=C=O。
平面三角形：所有原子处在一个平面上，三个周边原子 均匀分布 在中心原子周围，键角120°，例如 三氟化硼 BF3 。
四面体：四个周边原子处在四面体的四个顶点，中心原子位于四面体中心。理想键角109°28'，例如 甲烷 CH4。
八面体 ：六个周边原子处在八面体的六个顶点，中心原子位于四面体中心。理想键角90°，例如 六氟化硫 SF6。
三角锥形：四面体型的一条键被孤对 电子 占据，剩下三条键的形状即是三角锥型。由于孤对电子体积较大，三角锥形的键角较四面体形的键角要小。例如氨NH3，键角107.312°循环。
四方锥形：八面体型的一条键被孤对电子占据，剩下五条键的形状即是四方锥型，例如 五氟化溴 BrF5。
角形：与直线型相对，两条键的三个 原子 不在一条直线上。例如水H2O，键角104.5°。
互斥理论
科研成果
2022年7月18日，科技日报报道，来自IBM欧洲研究院、 西班牙 圣地亚哥·德·孔波斯特拉大学 和 雷根斯堡大学 的研究人员首次改变了单个分子内原子之间的键，并在此基础上创造出新键。相关研究刊发于最新一期《科学》杂志，有助科学家进一步理解 氧化还原反应 并创造出新分子。