Studiet av de fysiska egenskaperna hos molekyler. Molekyler har en mycket större mängd fysikaliska och kemiska egenskaper än isolerade atomer. Detta beror främst på molekylär struktur, jämfört med de konstituerande atomerna större komplexitet. Molekyler besitter också ytterligare energi lägen eftersom de kan vibrera; det vill säga de konstituerande atomkärnor flackar om sina jämvikt ståndpunkter och rotera när obehindrat. Dessa lägen ge upphov till ytterligare spektroskopiska egenskaper, jämfört med dem i en atom; molekylär spektroskopi i den optiska, IR och mikrovågsugn regionerna är en fysikalisk kemist mäktigaste medel för att identifiera och förstå molekylstruktur. Molekylär spektroskopi har också gett upphov till snabbt växande området för molekylär astronomi.