Dos moléculas pueden tener la misma fórmula química y comportarse de forma completamente diferente. El etanol y el dimetil éter tienen la misma fórmula química, C₂H₆O. El etanol es un líquido que se mezcla con agua y produce embriaguez. El dimetil éter es un gas que se utiliza como propulsor. Tienen los mismos átomos, pero una disposición diferente. Son isómeros. La fórmula química indica su composición. La estructura molecular indica su función.

Existen varios tipos de isómeros. Los isómeros estructurales se diferencian en la forma en que se conectan los átomos. El butano y el isobutano son isómeros estructurales. Los estereoisómeros tienen la misma conectividad, pero difieren en su disposición espacial. Los isómeros cis-trans se diferencian en la geometría alrededor de un doble enlace o anillo. Los enantiómeros son imágenes especulares que no se pueden superponer, como la mano izquierda y la derecha. Pueden tener efectos biológicos radicalmente diferentes. La talidomida es el ejemplo clásico de advertencia: un enantiómero trataba las náuseas matutinas, el otro causaba defectos de nacimiento.

La isomería es fundamental en el diseño de fármacos. Un fármaco debe tener la forma adecuada para actuar sobre su diana terapéutica. Un isómero incorrecto puede resultar inactivo o perjudicial. Actualmente, las agencias reguladoras exigen a los fabricantes de fármacos que caractericen y prueben cada isómero por separado.