Deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène se lient pour former de l'eau. Il s'agit d'une molécule, un groupe de deux atomes ou plus liés chimiquement. Ces atomes peuvent être du même élément, comme O₂, ou d'éléments différents, comme H₂O. La molécule est la plus petite unité d'un composé covalent qui conserve ses propriétés chimiques. Elle est électriquement neutre, contrairement à un ion.

Les molécules varient énormément en taille et en complexité. L'hydrogène est la plus petite, avec seulement deux atomes. Les protéines peuvent contenir des milliers d'atomes, et l'ADN des milliards. La forme d'une molécule détermine sa fonction. La forme d'une protéine détermine ses interactions. La forme d'un médicament détermine son affinité pour sa cible. La géométrie moléculaire est décrite par les longueurs de liaison, les angles de liaison et les angles de torsion. Le modèle VSEPR prédit les formes moléculaires en fonction de la répulsion électronique.

Les molécules sont liées entre elles par des liaisons covalentes. Elles peuvent également interagir entre elles par des forces plus faibles : liaisons hydrogène, interactions dipôle-dipôle et forces de dispersion de London. Ces forces intermoléculaires déterminent les points d’ébullition, la solubilité et l’activité biologique. C’est pourquoi l’eau est liquide à température ambiante et le méthane est gazeux.

Les molécules constituent le vocabulaire de la chimie. Elles sont à l'origine des réactions chimiques. Elles permettent l'identification par spectroscopie et sont utilisées en biologie. La molécule est l'unité fondamentale des composés covalents.