分子式は、分子を構成する原子の正確な数を反映し、異なる分子を特徴づける。ただし、異なる異性体は、異なる分子であっても、同じ原子組成を持つことがある。
実験式と分子式が同じであることがよくあるが、常にそうとは限らない。たとえば、アセチレン分子の分子式はC2H2であるが、その元素の最も単純な整数比はCHである。
分子量は、化学式から計算することができ、中性炭素12（12C同位体）原子の質量の1/12に相当する通常の原子質量単位で表される。ネットワーク固体（英語版）の場合、化学量論的計算の際に式単位（英語版）という用語を使用する。
構造式テルペノイド分子アチサンの3次元(左、中央)と2次元(右)の分子モデル詳細は「構造式」を参照
複雑な3次元構造を持つ分子、特に4つの異なる置換基と結合した原子を含む分子では、単純な分子式や示性式でさえ、分子を完全に特定できない場合がある。そのような場合には、構造式と呼ばれるグラフィカルな式が必要になることがある。構造式は一次元の化学名で表すこともできるが、そうした化学命名法（英語版）には化学式の一部に含まれない多くの単語や用語が必要である。
分子構造詳細は「分子構造」を参照シアノスターデンドリマー分子の構造式とSTM画像[31]
分子は、平衡幾何構造（英語版）（結合の長さや角度）が決まっており、振動や回転によって連続的に運動している。純物質は、同じ平均的な幾何構造を持つ分子で構成されている。分子の化学式と構造は、その分子の性質、特に反応性（英語版）を決定する重要な要素である。異性体は、化学式は同じだが構造が異なるため、通常、性質が大きく異なる。立体異性体という特種な異性体は、非常によく似た物理化学的性質を持つと同時に、異なる生化学的活性を持つことがある。
分子分光法詳細は「分光法」を参照(a)走査型トンネル顕微鏡(STM)の探針に過剰な電圧をかけることで、個々のH2TPP分子から水素を除去することができる。この除去によって、同じSTM探針を用いて測定したTPP分子の電流-電圧(I-V)曲線が、ダイオードのような曲線(bの赤い曲線)から抵抗のような曲線(緑の曲線)に変化する。画像(c)は、TPP、H2TPP、TPP分子が並んだ列を示している。画像(d) スキャンしながら、黒い点の部分でH2TPPに過剰な電圧をかけると、(d)の下部と再スキャン画像(e)に示すように、瞬時に水素が除去された。このような操作は、単一分子エレクトロニクスに応用することができる[32]。
分子分光法（ぶんしぶんこうほう、英: molecular spectroscopy）は、エネルギー（プランクの公式による周波数）が既知のプローブ信号に相互作用する分子の応答（スペクトル）を扱う分析手法である。分子はエネルギー準位が量子化されており、分子のエネルギー交換を吸光または発光で検出することで分析することができる[33]。一般に分子分光法は、中性子・電子・高エネルギーX線などの粒子が（結晶のように）規則的に配置された分子と相互作用する回折研究を指すものではない。
マイクロ波分光法は、分子の回転の変化を測定し、宇宙空間にある分子を識別するために一般に利用される。赤外線分光法は、分子の伸縮、屈曲、ねじれなどの振動を測定する。これは、分子内の結合や官能基の種類を特定するために一般に使用される。電子の配列の変化により、紫外光、可視光、または近赤外光に吸収線や輝線が生じ、色が発生する。核磁気共鳴分光法は、分子内の特定の原子核の環境を測定し、分子内の異なる位置にある原子の数を特徴付けるために使用される。 分子物理学や理論化学による分子の研究は、主に量子力学に基づいており、化学結合を理解するうえで不可欠である。最も単純な分子は水素分子イオン H2+であり、すべての化学結合の中で最も単純なものは1電子結合である。H2+は正荷電の陽子2個と負荷電の電子1個で構成され、電子間反発がないため、この系のシュレーディンガー方程式はより簡単に解くことができる。高速デジタルコンピューターの発達により、より複雑な分子に対する近似解が可能になり、計算化学の主要な一面を担っている。 IUPACは、ある原子配列が分子として「十分に安定か」どうかを厳密に定義しようとする場合、「少なくとも1つの振動状態を閉じ込めるのに十分な深さのポテンシャルエネルギー曲面上のくぼみに対応する必要がある」と提案している[4]。この定義は、原子間の相互作用の性質には依存せず、相互作用の強さのみに依存する。実際、ヘリウムの二量体であるHe2は、振動結合状態が1つで[34]、結合が非常に弱いため、極低温でしか観測されない可能性があるが、こうした弱い結合の種も分子と見なされている。
理論的側面
