Nghiên cứu các tính chất vật lý của các phân tử. Phân tử có phong phú hơn đến nay nhiều tính chất vật lý và hóa học hơn làm cô lập nguyên tử. Điều này là nhờ chủ yếu vào sự phức tạp hơn của cấu trúc phân tử, so với của các nguyên tử thành phần. Phân tử cũng có chế độ năng lượng bổ sung bởi vì họ có thể rung; có nghĩa là, các thành phần nhân dao động về vị trí cân bằng của họ và xoay khi unhindered. Các chế độ này cho tăng thêm tính chất quang phổ, so với nguyên tử; phổ học phân tử trong các quang, hồng ngoại, và khu vực lò vi sóng là một nhà hóa học vật lý có nghĩa là mạnh nhất của việc xác định và sự hiểu biết cấu trúc phân tử. Phân tử phổ học cũng đã được tăng lên các lĩnh vực phát triển nhanh chóng của Thiên văn học phân tử.