Hai phân tử có thể có cùng công thức hóa học nhưng lại có tính chất hoàn toàn khác nhau. Ethanol và dimethyl ether đều có công thức là C2H6O. Ethanol là một chất lỏng hòa tan trong nước và gây say. Dimethyl ether là một chất khí được sử dụng làm nhiên liệu đẩy. Cùng một nhóm nguyên tử, nhưng cấu trúc sắp xếp khác nhau. Chúng là các đồng phân. Công thức cho biết thành phần cấu tạo, còn cấu trúc phân tử cho biết chức năng của chúng.

Các đồng phân có nhiều loại. Đồng phân cấu trúc khác nhau ở cách các nguyên tử liên kết với nhau. Butan và isobutan là đồng phân cấu trúc. Đồng phân lập thể có cùng cách liên kết nhưng khác nhau về sự sắp xếp trong không gian. Đồng phân cis-trans khác nhau về hình học xung quanh liên kết đôi hoặc vòng. Đồng phân đối quang là hình ảnh phản chiếu của nhau, không thể chồng khít lên nhau, giống như bàn tay trái và bàn tay phải. Chúng có thể có những tác dụng sinh học khác nhau đáng kể. Thalidomide là một ví dụ điển hình về cảnh báo: một đồng phân đối quang điều trị chứng ốm nghén, đồng phân kia gây ra dị tật bẩm sinh.

Tính đồng phân rất quan trọng trong thiết kế thuốc. Thuốc phải có hình dạng phù hợp để nhắm đến mục tiêu điều trị. Đồng phân không phù hợp có thể khiến thuốc không hoạt động hoặc gây hại. Các cơ quan quản lý hiện nay yêu cầu các nhà sản xuất thuốc phải xác định đặc tính và thử nghiệm từng đồng phân riêng biệt.