分子结构，或称分子立体结构、分子形状、分子几何，建立在光谱学数据之上，用以描述分子中原子的三维排列方式。分子结构在很大程度上影响了化学物质的反应性、极性、相态、颜色、磁性和生物活性。
分子结构最好在接近绝对零度的温度下测定，因为随着温度升高，分子转动也增加。量子力学和半实验的分子模拟计算可以得出分子形状，固态分子的结构也可通过X射线晶体学测定。体积较大的分子通常以多个稳定的构象存在，势能面中这些构象之间的能垒较高。
分子结构涉及[1]原子在空间中的位置，与键结的化学键种类有关，包括键长、键角以及相邻三个键之间的二面角。
原子在分子中的成键情形与空间排列。分子结构对物质的物理与化学性质有决定性的关系。最简单的分子是氢分子，1克氢包含1023个以上的氢分子。水分子中2个氢原子都连接到一个中心氧原子上，所成键角是104.5°。分子中原子的空间关系不是固定的，除了分子本身在气体和液体中的平动外，分子结构中的各部分也都处于连续的运动中。因此分子结构与温度有关。分子所处的状态（固态、液态、气态、溶解在溶液中或吸附在表面上）不同，分子的精确尺寸也不同。
因尚无真正适用的分子结构理论，复杂分子的细致结构不能预言，只能从实验测得。量子力学认为，原子中的轨道电子具有波动性，用数学方法处理电子驻波（原子轨道）就能确定原子间或原子团间键的形成方式。原子中的电子轨道在空间重叠愈多，形成的键愈稳定。量子力学方法是建立在实验数据和近似的数学运算（由高速电子计算机进行运算）相结合的基础上的，对简单的体系才是精确的，例如对水分子形状的预言。另一种理论是把分子看成一个静电平衡体系：电子和原子核的引力倾向于最大，电子间的斥力倾向于最小，各原子核和相邻原子中电子的引力也是很重要的。为了使负电中心的斥力减至最小，体系尽可能对称的排列，所以当体系有2个电子对时，它们呈线型排列（180°）；有3个电子对时呈三角平面排列，键角120°。
分子的键有三种极限类型，即[2]离子键、共价键和金属键。定位于2个原子之间的键称为定域键。由多个原子的共有电子形成的多中心键称为离域键。此外还有过渡类型的键：键电子偏向一方的共价键称为极性键，由一方提供成键电子的键称为配位键。通过这些类型的键把原子按一定的空间排列结合成分子，形成分子的构型和构象。例如碳是共享电子对键（共价键）的基本参加者，碳和氢2种元素的原子可形成烃类化合物，正四面体构的CH4是其中最简单的烃，还可形成环状化合物，例如环己烷；硅和氧是矿物质的基本元素，云母和石英都含有硅氧单元。金属原子被夹在烃环平面中间构成夹心化合物。蛋白质的基本成分是一端接碱性基，一端接酸性基的二官能分子α-氨基酸。化学组成和分子量相同但分子结构不同的物质互称为异构体。当2种异构体其他性质相同，只是旋光方向相反，这一类异构体称作旋光异构体。可用X射线等衍射法、各种光谱、波谱、能谱和质谱法等测定或推测分子的结构。
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