Molekulas fizikālo īpašību izpēte. Molekulas piemīt daudz bagātāka dažādas fizikālās un ķīmiskās īpašības nekā izolēt atomus. Tas attiecināms galvenokārt uz lielāku sarežģītības molekulārajā struktūrā, salīdzinot ar to veidojošo atomu. Molekulas piemīt papildu enerģijas veidiem, jo tie var vibrēt; proti, komponentu kodolu svārstīties par to līdzsvara stāvokli un pagriezt, ja netraucētu. Šie režīmi, kas rada papildu spektroskopijas īpašības, salīdzinot ar atomu; molekulārās spektroskopijas, optisko, infrasarkano savienojumu un mikroviļņu reģioniem ir viens no fiziskās ķīmiķis spēcīgākajiem līdzekļiem identificēt un saprast molekulāro struktūru. Molekulu spektroskopijas arī ir radījis molekulāro astronomijas strauji augošajā jomā.