分子軌道ダイアグラム（MOダイアグラム）は、一般に分子軌道法、具体的には原子軌道による線形結合法（LCAO法）の観点から、分子中の化学結合を説明するための定性的表現手法である。これらの理論の基本原理は、原子が結合し分子を作る時に、一定数の原子軌道が組み合わさり同数の分子軌道を形成するが、関与する電子は軌道間で再配分できるというものである。この手法は、水素、酸素、一酸化炭素などの単純な二原子分子に非常によく適しているが、メタンといった多原子分子について議論する時はより複雑となる。MOダイアグラムは何故ある分子は存在できるが一方は存在できないのか、結合がどの程度強いのか、そしてどの電子遷移が起こり得るのかを説明する。