Uma molécula é um grupo de dois ou mais átomos mantidos juntos por uma ligação química. Segundo o Tech Target, variam em tamanho desde moléculas de um átomo (como hélio) até cadeias de centenas ou milhares de moléculas que formam proteínas. Embora as moléculas estejam sempre em movimento, sua velocidade depende do estado físico. No estado sólido, são as mais restritas; no gasoso, as mais livres. O movimento no estado líquido situa-se entre os dois.
Segundo o Skwirk, moléculas com apenas um átomo são chamadas monoatômicas e com dois átomos, diatômicas. Moléculas não se limitam a um mesmo elemento; as que contêm dois ou mais elementos quimicamente ligados são chamadas compostos.
Historicamente, Antoine-Laurent Lavoisier definiu elemento como substância não divisível em substâncias menores. Entre 1789 e 1803, John Dalton definiu átomo como "partícula pequena, indestrutível e indivisível". Essas definições permitiram avanços na química. Em 1809, Joseph-Louis Gay-Lussac experimentou com gases, descobrindo que a água forma-se por dois volumes de hidrogênio reagindo com um de oxigênio. Em 1811, Amedeo Avogadro constatou que volumes iguais de gases diferentes contêm o mesmo número de partículas nas mesmas condições de temperatura e pressão, levando ao conceito de moléculas.
Uma distinção importante: nem todas as moléculas são compostos, mas todos os compostos são moléculas. Exemplo de molécula que não é composto: aquela formada por um único elemento.
Os dois tipos principais são iônicos e covalentes. Compostos iônicos são mantidos por ligação iônica, onde elementos perdem ou ganham elétrons. Compostos covalentes são mantidos por ligação covalente, onde átomos compartilham elétrons.
As moléculas variam enormemente em complexidade e tamanho. O hélio tem um átomo (molécula monoatômica). A mais comum na atmosfera terrestre é o oxigênio diatômico (O2). Outros exemplos: ozônio (O3), dióxido de carbono e ácido sulfúrico.