Hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy liên kết với nhau tạo thành nước. Đó là một phân tử, một nhóm gồm hai hoặc nhiều nguyên tử liên kết với nhau về mặt hóa học. Các nguyên tử có thể cùng một nguyên tố, như O2, hoặc khác nguyên tố, như H2O. Phân tử là đơn vị nhỏ nhất của một hợp chất cộng hóa trị mà vẫn giữ được các tính chất hóa học của nó. Nó trung tính về điện, không giống như ion.

Các phân tử có kích thước và độ phức tạp vô cùng đa dạng. Hydro là phân tử nhỏ nhất, chỉ có hai nguyên tử. Protein có thể chứa hàng ngàn nguyên tử. DNA có thể chứa hàng tỷ nguyên tử. Hình dạng của một phân tử quyết định chức năng của nó. Hình dạng của protein quyết định những gì nó liên kết. Hình dạng của thuốc quyết định liệu nó có phù hợp với mục tiêu của nó hay không. Hình học phân tử được mô tả bằng độ dài liên kết, góc liên kết và góc xoắn. ​​Mô hình VSEPR dự đoán hình dạng dựa trên lực đẩy electron.

Các phân tử được liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Chúng cũng có thể tương tác với nhau thông qua các lực yếu hơn: liên kết hydro, tương tác lưỡng cực-lưỡng cực và lực phân tán London. Các lực liên phân tử này quyết định điểm sôi, độ hòa tan và hoạt tính sinh học. Đó là lý do tại sao nước ở dạng lỏng ở nhiệt độ phòng và metan ở dạng khí.

Phân tử là ngôn ngữ của hóa học. Chúng là những gì tạo nên và phá vỡ trong các phản ứng. Chúng là những gì quang phổ học xác định và sinh học sử dụng. Phân tử là đơn vị cơ bản của các hợp chất cộng hóa trị.