Två väteatomer och en syreatom binder samman för att bilda vatten. Det är en molekyl, en grupp av två eller flera atomer som är kemiskt bundna samman. Atomerna kan vara samma grundämne, som O2, eller olika grundämnen, som H2O. Molekylen är den minsta enheten i en kovalent förening som behåller sina kemiska egenskaper. Den är elektriskt neutral, till skillnad från en jon.

Molekyler varierar enormt i storlek och komplexitet. Väte är den minsta, med två atomer. Proteiner kan innehålla tusentals atomer. DNA kan innehålla miljarder. Formen på en molekyl avgör dess funktion. Ett proteins form avgör vad det binder till. Ett läkemedels form avgör om det passar sitt mål. Molekylgeometri beskrivs av bindningslängder, bindningsvinklar och torsionsvinklar. VSEPR-modellen förutsäger former baserat på elektronrepulsion.

Molekyler hålls samman av kovalenta bindningar. De kan också interagera med varandra genom svagare krafter: vätebindningar, dipol-dipol-interaktioner och London-dispersionskrafter. Dessa intermolekylära krafter bestämmer kokpunkter, löslighet och biologisk aktivitet. Det är därför vatten är en vätska vid rumstemperatur och metan är en gas.

Molekyler är kemins ordförråd. Det är de som reaktioner skapar och bryter. Det är de som spektroskopi identifierar och som biologin använder. Molekylen är den grundläggande enheten för kovalenta föreningar.