Deux molécules peuvent avoir la même formule chimique et se comporter de manière totalement différente. L'éthanol et l'éther diméthylique ont tous deux la formule C₂H₆O. L'éthanol est un liquide qui se mélange à l'eau et provoque l'ivresse. L'éther diméthylique est un gaz utilisé comme propulseur. Mêmes atomes, agencement différent : ce sont des isomères. La formule indique la composition, la structure indique le rôle.

Il existe plusieurs types d'isomères. Les isomères de structure diffèrent par la façon dont leurs atomes sont liés. Le butane et l'isobutane sont des isomères de structure. Les stéréoisomères ont la même connectivité mais diffèrent par leur agencement spatial. Les isomères cis-trans diffèrent par la géométrie autour d'une double liaison ou d'un cycle. Les énantiomères sont des images miroir non superposables, comme la main gauche et la main droite. Ils peuvent avoir des effets biologiques très différents. La thalidomide en est un exemple classique : un énantiomère traitait les nausées matinales, l'autre provoquait des malformations congénitales.

L'isomérie est un facteur important dans la conception des médicaments. Un médicament doit avoir la forme adéquate pour cibler son récepteur. Un isomère inapproprié peut être inactif, voire nocif. Les agences réglementaires exigent désormais des fabricants de médicaments qu'ils caractérisent et testent chaque isomère séparément.