Duas moléculas podem ter a mesma fórmula química e comportar-se de forma completamente diferente. O etanol e o éter dimetílico são ambos C₂H₆O. O etanol é um líquido que se mistura com a água e provoca embriaguez. O éter dimetílico é um gás utilizado como propelente. Os átomos são os mesmos, mas a sua disposição é diferente. São isómeros. A fórmula indica a composição química. A estrutura indica a função da molécula.

Existem vários tipos de isómeros. Os isómeros estruturais diferem na forma como os átomos estão ligados. O butano e o isobutano são isómeros estruturais. Os estereoisómeros têm a mesma conectividade, mas diferem no arranjo espacial. Os isómeros cis-trans diferem na geometria em torno de uma ligação dupla ou anel. Os enantiómeros são imagens especulares que não podem ser sobrepostas, como as mãos esquerda e direita. Podem ter efeitos biológicos drasticamente diferentes. A talidomida é o exemplo clássico de advertência: um enantiómero tratava os enjoos matinais, enquanto o outro causava defeitos congénitos.

O isomerismo é importante no desenvolvimento de fármacos. Um medicamento deve ter a forma correta para atingir o seu alvo. O isómero errado pode ser inativo ou prejudicial. As agências reguladoras exigem agora que os fabricantes de medicamentos caracterizem e testem cada isómero separadamente.