分子結構涉及的不僅是組成它的各個原子(確切地說是原子核)的平衡幾何配置，更重要的是分子各組成部分的相互作用——化學鍵合。分子的物理性質與分子的化學結構有關，因此研究分子的性質可以確定其化學結構。
量子力學是研究化學鍵本質、分子的物理性質，以及分子間相互作用的基本理論。1930年以來，量子力學在這些問題的理論解釋上有很大的進展。分子的量子力學——量子化學，是近代理論化學活躍的前沿之一。套用量子化學原理並配合電子計算機技術，直接計算分子的能級、狀態波函式以及其他物理性質，已取得了顯著的成就。
分子物理學從多方面研究分子的物理性質。它研究分子中原子的相對振動、分子的轉動、分子中電子的運動，以及分子間力所產生的現象等。分子光譜是用來研究分子結構的一種重要手段，它提供了大量關於分子結構和分子動力學的知識，這些光譜及其量子力學解釋之間的相符，是歷史上證實量子理論的重要依據。射頻和微波波譜學、原子束和分子束和雷射光譜學等技術，能高度精確地測量這類光譜的精細和超精細結構，從而可制定核自旋、核電四板矩以及原子核質量。
對於分子的物理性質的研究還包括研究分子的電磁性質(分子在電場和磁場中的行為)，即分子的極化率和磁化率，以及分子的熱學性質等。用 X射線衍射、中子衍射等技術可直接確定分子的結構。已經發展起來的光電子能譜等，也是研究分子物理性質的有力實驗手段。
分子物理學從研究物質的分子結構和分子問的相互作用出發，研究物質的熱學性質和聚集狀態，包括狀態方程(體積、溫度和壓強之．間的關係)、各種熱力學函式、液體和固體的表面層現象、表面吸附、相乾衡和相變，以及擴散、熱傳導和粘滯性等輸運現象，等等。由於這些現象和性質與大量分子的整體運動狀態有關，分子物理學中還廣泛利用熱力學的定律和統計物理學的理論。
