分子结构涉及的不仅是组成它的各个原子(确切地说是原子核)的平衡几何配置，更重要的是分子各组成部分的相互作用——化学键合。分子的物理性质与分子的化学结构有关，因此研究分子的性质可以确定其化学结构。

量子力学是研究化学键本质、分子的物理性质，以及分子间相互作用的基本理论。1930年以来，量子力学在这些问题的理论解释上有很大的进展。分子的量子力学——量子化学，是近代理论化学活跃的前沿之一。应用量子化学原理并配合电子计算机技术，直接计算分子的能级、状态波函数以及其他物理性质，已取得了显著的成就。

分子物理学从多方面研究分子的物理性质。它研究分子中原子的相对振动、分子的转动、分子中电子的运动，以及分子间力所产生的现象等。分子光谱是用来研究分子结构的一种重要手段，它提供了大量关于分子结构和分子动力学的知识，这些光谱及其量子力学解释之间的相符，是历史上证实量子理论的重要依据。射频和微波波谱学、原子束和分子束和激光光谱学等技术，能高度精确地测量这类光谱的精细和超精细结构，从而可制定核自旋、核电四板矩以及原子核质量。

对于分子的物理性质的研究还包括研究分子的电磁性质(分子在电场和磁场中的行为)，即分子的极化率和磁化率，以及分子的热学性质等。用 X射线衍射、中子衍射等技术可直接确定分子的结构。已经发展起来的光电子能谱等，也是研究分子物理性质的有力实验手段。

分子物理学从研究物质的分子结构和分子问的相互作用出发，研究物质的热学性质和聚集状态，包括状态方程(体积、温度和压强之．间的关系)、各种热力学函数、液体和固体的表面层现象、表面吸附、相干衡和相变，以及扩散、热传导和粘滞性等输运现象，等等。由于这些现象和性质与大量分子的整体运动状态有关，分子物理学中还广泛利用热力学的定律和统计物理学的理论。