Lo studio delle proprietà fisiche delle molecole. Molecole possiedono una varietà molto più ricca di proprietà fisiche e chimiche di atomi isolati. Questo è imputabile principalmente per la maggiore complessità della struttura molecolare, rispetto a quella di atomi costituenti. Molecole possiedono anche modalità di energia supplementare, perché essi può vibrare; cioè, i nuclei costitutivi oscillano sulle loro posizioni di equilibrio e ruotano quando senza ostacoli. Queste modalità dare luogo a ulteriori proprietà spettroscopiche, rispetto a quelli di un atomo; spettroscopia molecolare in ottica, infrarossi e le regioni a microonde è uno dei mezzi più potenti del chimico fisico di identificare e comprendere la struttura molecolare. Spettroscopia molecolare ha anche dato origine a rapidamente nel settore dell'astronomia molecolare.