Dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno se unen para formar agua. Esto es una molécula, un grupo de dos o más átomos unidos químicamente. Los átomos pueden ser del mismo elemento, como el O₂, o de elementos diferentes, como el H₂O. La molécula es la unidad más pequeña de un compuesto covalente que conserva sus propiedades químicas. Es eléctricamente neutra, a diferencia de un ion.

Las moléculas varían enormemente en tamaño y complejidad. El hidrógeno es la más pequeña, con dos átomos. Las proteínas pueden contener miles de átomos. El ADN puede contener miles de millones. La forma de una molécula determina su función. La forma de una proteína determina a qué se une. La forma de un fármaco determina si se ajusta a su diana. La geometría molecular se describe mediante longitudes de enlace, ángulos de enlace y ángulos de torsión. El modelo VSEPR predice las formas basándose en la repulsión electrónica.

Las moléculas se mantienen unidas mediante enlaces covalentes. También pueden interactuar entre sí a través de fuerzas más débiles: enlaces de hidrógeno, interacciones dipolo-dipolo y fuerzas de dispersión de London. Estas fuerzas intermoleculares determinan los puntos de ebullición, la solubilidad y la actividad biológica. Son la razón por la que el agua es líquida a temperatura ambiente y el metano es gaseoso.

Las moléculas son el vocabulario de la química. Son la base de las reacciones químicas. Son lo que la espectroscopia identifica y lo que la biología utiliza. La molécula es la unidad fundamental de los compuestos covalentes.