分子構造とは、分子の幾何学的構造をいい、例えば原子間距離や配向などをさす。分子構造を調べるには、主に回折法と分光法が用いられる。分子の構造は構成する原子の電子雲による斥力と、化学結合による引力との均衡により決定づけられる。前者は閉殻電子に起因するので球対称とみなすことができるが、後者は電子軌道はs軌道以外の原子価軌道や混成軌道は方向性をもつ。また、引力の大きさは内殻電子による遮蔽を受けた原子核の有効電荷と分子軌道上の電子分布により決定される為、結合力は構造の位置が変化すると原子間の結合性軌道の重なり具合により連続的に変化する。分子を構成する原子は内部エネルギーにより振動しているので、分子構造の示す位置は平均的な重心位置を意味する。