Undersøgelse af de fysiske egenskaber af molekyler. Molekyler besidde langt rigere forskellige fysiske og kemiske egenskaber end gør isolerede atomer. Dette er primært tilskrives den større kompleksitet af molekylære struktur, i forhold til de konstituerende atomer. Molekyler også have ekstra energi funktionsmåder, fordi de kan vibrere; det er de konstituerende kerner oscillate om deres ligevægt holdninger og rotere når uhindret. Disse tilstande giver anledning til yderligere spektroskopiske egenskaber, i forhold til dem af et atom; Molekylspektroskopi i den optiske, infrarød og mikrobølge regioner er et af de fysiske kemiker mest magtfulde midler på at identificere og forståelse Molekylær struktur. Molecular spektroskopi har også givet anledning til feltet hastigt voksende i Molekylær astronomi.