分子結(jié)構(gòu)，或稱分子立體結(jié)構(gòu)、分子形狀、分子幾何，建立在光譜學(xué)數(shù)據(jù)之上，用以描述分子中原子的三維排列方式。分子結(jié)構(gòu)在很大程度上影響了化學(xué)物質(zhì)的反應(yīng)性、極性、相態(tài)、顏色、磁性和生物活性。
分子結(jié)構(gòu)涉及原子在空間中的位置，與鍵結(jié)的化學(xué)鍵種類有關(guān)，包括鍵長、鍵角以及相鄰三個鍵之間的二面角。
分子結(jié)構(gòu)最好在接近絕對零度的溫度下測定，因為隨著溫度升高，分子轉(zhuǎn)動也增加。量子力學(xué)和半實驗的分子模擬計算可以得出分子形狀，固態(tài)分子的結(jié)構(gòu)也可通過x射線晶體學(xué)測定。體積較大的分子通常以多個穩(wěn)定的構(gòu)象存在，勢能面中這些構(gòu)象之間的能壘較高。
分子結(jié)構(gòu)涉及原子在空間中的位置，與鍵結(jié)的化學(xué)鍵種類有關(guān)，包括鍵長、鍵角以及相鄰三個鍵之間的二面角。
原子在分子中的成鍵情形與空間排列。分子結(jié)構(gòu)對物質(zhì)的物理與化學(xué)性質(zhì)有決定性的關(guān)系。最簡單的分子是氫分子，1克氫含1023個以上的氫分子。水分子中2個氫原子都連接到一個中心氧原子上，所成鍵角是104.5℃。分子中原子的空間關(guān)系不是固定的，除了分子本身在氣體和液體中的平動外，分子結(jié)構(gòu)中的各部分也都處于連續(xù)的運動中。因此分子結(jié)構(gòu)與溫度有關(guān)。分子所處的狀態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、溶解在溶液中或吸附在表面上）不同，分子的精確尺寸也不同。
因尚無真正適用的分子結(jié)構(gòu)理論，復(fù)雜分子的細致結(jié)構(gòu)不能預(yù)言，只能從實驗測得。量子力學(xué)認為，原子中的軌道電子具有波動性，用數(shù)學(xué)方法處理電子駐波（原子軌道）就能確定原子間或原子團間鍵的形成方式。原子中的電子軌道在空間重疊愈多，形成的鍵愈穩(wěn)定。量子力學(xué)方法是建立在實驗數(shù)據(jù)和近似的數(shù)學(xué)運算（由高速電子計算機進行運算）相結(jié)合的基礎(chǔ)上的，對簡單的體系才是精確的，例如對水分子形狀的預(yù)言。另一種理論是把分子看成一個靜電平衡體系：電子和原子核的引力傾向于最大，電子間的斥力傾向于最小，各原子核和相鄰原子中電子的引力也是很重要的。為了使負電中心的斥力減至最小，體系盡可能對稱的排列，所以當體系有2個電子對時，它們呈線型排列（180°）；有3個電子對時呈三角平面排列，鍵角120°。
分子的鍵有三種極限類型，即離子鍵、共價鍵和金屬鍵。定位于2個原子之間的鍵稱為定域鍵。由多個原子的共有電子形成的多中心鍵稱為離域鍵。此外還有過渡類型的鍵：鍵電子偏向一方的共價鍵稱為極性鍵，由一方提供成鍵電子的鍵稱為配位鍵。通過這些類型的鍵把原子按一定的空間排列結(jié)合成分子，形成分子的構(gòu)型和構(gòu)象。例如碳是共享電子對鍵（共價鍵）的基本參加者，碳和氫2 種元素的原子可形成烴類化合物，正四面體構(gòu)的ch4是其中最簡單的烴，還可形成環(huán)狀化合物，例如環(huán)己烷；硅和氧是礦物質(zhì)的基本元素，云母和石英都含有硅氧單元 。金屬原子被夾在烴環(huán)平面中間構(gòu)成夾心化合物。蛋白質(zhì)的基本成分是一端接堿性基，一端接酸性基的二官能分子α-氨基酸?；瘜W(xué)組成和分子量相同但分子結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)互稱為異構(gòu)體。當2 種異構(gòu)體其他性質(zhì)相同，只是旋光方向相反，這一類異構(gòu)體稱作旋光異構(gòu)體?？捎脁射線等衍射法、各種光譜、波譜、能譜和質(zhì)譜法等測定或推測分子的結(jié)構(gòu)。溫度對其的影響由于分子中原子的運動由量子力學(xué)決定，因此“運動”這個概念也必須要建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)之上?？傮w（外部）的量子力學(xué)運動——如平移和旋轉(zhuǎn)幾乎不改變分子的結(jié)構(gòu)（由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的科里奧利力和離心扭曲以及由此導(dǎo)致的形狀變化在此可以忽略）。內(nèi)部運動包括振動，隸屬于諧波，即原子即使在絕對零度仍會在平衡間振蕩。此時所有原子都處于振動基態(tài)，具有零點能量，振動模式的波函數(shù)也不是一個尖峰，而是有限寬度的指數(shù)。隨著溫度升高，振動模式（自由度）被熱激發(fā)，用通俗的話講是分子振動加快，而它們?nèi)匀恢辉诜肿犹囟ú糠终袷帯?br>
波爾茲曼分布可以量度溫度對分子振動的影響：exp(-δe/kt)，其中δe是振動模式的激發(fā)能，k是波爾茲曼常數(shù)，t是絕對溫度。在298k（25 °c）下，典型的波爾茲曼因子值為：δe = 500 cm-1 --> 0.089；δe = 1000 cm-1 --> 0.008；δe = 1500 cm-1 --> 7 * 10-4。即，如果激發(fā)能為500 cm-1，那么大約9%的分子在室溫時會處于熱激發(fā)態(tài)。對水分子而言，其彎曲模式具有最低的激發(fā)能，大約為1600 cm-1，因此室溫下水分子中振動速度比絕對零度時快的分子占不到0.07%。
雖然轉(zhuǎn)動很難影響分子結(jié)構(gòu)，但作為一個量子力學(xué)運動，相對振動而言它在低溫下熱激發(fā)程度較高。從經(jīng)典力學(xué)角度來看即是，更多分子在高溫下轉(zhuǎn)動更快（它們具有更大的角速度和角動量）；而從量子力學(xué)角度看則是，隨溫度升高，更多角動量較大的本征態(tài)開始聚集。典型的轉(zhuǎn)動激發(fā)能數(shù)量級在幾cm-1。
由于涉及轉(zhuǎn)動態(tài)，很多光譜學(xué)的實驗數(shù)據(jù)都被擴大了。而轉(zhuǎn)動運動隨溫度升高而變得激烈，因此，低溫下的分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)往往更加可靠，而從高溫下的光譜很難得出分子結(jié)構(gòu)。成鍵根據(jù)定義，分子中的原子是由共價鍵（包括單鍵、雙鍵、叁鍵等）或/和離子鍵連結(jié)起來的，因此分子形狀可通過鍵長、鍵角和二面角這些參數(shù)來闡明。鍵長被定義為任何分子中，兩個原子中心間的平均距離；鍵角是相鄰三個原子兩條鍵之間的夾角；而二面角，或稱扭轉(zhuǎn)角，則相對于四個相鄰原子而言，是前三個原子所形成的平面與剩下一根鍵之間所成的角度。
電子的量子力學(xué)性質(zhì)決定分子結(jié)構(gòu)，因此可通過價鍵理論近似來理解化學(xué)鍵類型對結(jié)構(gòu)的影響。雜化軌道理論認為，先有原子軌道間的雜化，才有化學(xué)鍵的生成。至于化學(xué)鍵，其中兩種最常見的為σ鍵和π鍵，而含離域電子的結(jié)構(gòu)可借助分子軌道理論來理解。
研究原子和分子中電子的類波行為隸屬于量子化學(xué)的范疇。同分異構(gòu)體具有相同化學(xué)式但不同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)被稱為異構(gòu)體，它們常有不同的性質(zhì)。
純凈物只由異構(gòu)體中的一種構(gòu)成，因此所有分子結(jié)構(gòu)相同。
構(gòu)造異構(gòu)體中原子排列順序不同，性質(zhì)也常有不同，例如正丙醇和異丙醇。
官能團異構(gòu)體是由于含有不同官能團而導(dǎo)致異構(gòu)的異構(gòu)體，例如醚和醇。
立體異構(gòu)體物理性質(zhì)可能類似（例如熔點和沸點），但生化活性一般不同。這是由于它們具有手性，必須要有特定的立體結(jié)構(gòu)才可以與其他底物結(jié)合。一對立體異構(gòu)體可使平面偏振光偏轉(zhuǎn)相同的角度，但是在相反方向上。
蛋白質(zhì)折疊關(guān)系到高分子蛋白質(zhì)的構(gòu)象取向問題。分子結(jié)構(gòu)類型分子有六種基本形狀類型：
直線型：所有原子處在一條直線上，鍵角為180°，例如二氧化碳o=c=o。
平面三角形：所有原子處在一個平面上，三個周邊原子均勻分布在中心原子周圍，鍵角120°，例如三氟化硼bf3。
四面體：四個周邊原子處在四面體的四個頂點，中心原子位于四面體中心。理想鍵角109°28'，例如甲烷ch4。
八面體：六個周邊原子處在八面體的六個頂點，中心原子位于四面體中心。理想鍵角90°，例如六氟化硫sf6。
三角錐形：四面體型的一條鍵被孤對電子占據(jù)，剩下三條鍵的形狀即是三角錐型。由于孤對電子體積較大，三角錐形的鍵角較四面體形的鍵角要小。例如氨nh3，鍵角107.3°。
四方錐形：八面體型的一條鍵被孤對電子占據(jù)，剩下五條鍵的形狀即是四方錐型，例如五氟化溴brf5。
角形：與直線型相對，兩條鍵的三個原子不在一條直線上。例如水h2o，鍵角104.5°。價層電子對互斥理論鍵連原子 孤對電子 電子對數(shù) 形狀 理想鍵角 例子 圖片
2 0 2 直線型 180° becl2
3 0 3 平面三角形 120° bf3
2 1 3 角形 120° so2
4 0 4 四面體 109.5° ch4
3 1 4 三角錐 109.5° nh3
2 2 4 角形 109.5° h2o
5 0 5 三角雙錐 90°、120° pcl5
4 1 5 變形四面體 90°、120° sf4
3 2 5 t型 90° clf3
2 3 5 直線型 180° xef2
6 0 6 八面體 90° sf6
5 1 6 四方錐 90° brf5
4 2 6 平面正方形 90° xef4