分子結構是指分子中各個原子之間的連接方式以及這些原子在空間中的排列方式。
分子結構對化學物質的性質有顯著影響，包括反應性、極性、相態、顏色、磁性和生物活性等。分子結構涉及原子間的化學鍵種類，包括鍵長、鍵角以及相鄰三個鍵之間的二面角。分子結構可以通過光譜學數據、量子力學計算或X射線晶體學等方法進行研究。
此外，分子結構還包括分子的幾何形狀，如線性分子（例如二氧化碳）、四面體分子（例如甲烷）等。有的分子可能存在不同的立體異構體，即具有相同化學式但原子排列方式不同的化合物。這些異構體可能具有手性，即它們不能完全重疊成鏡像。