分子建模涵蓋了用于建模或模仿分子行為的所有理論和計算方法。該方法應用于計算化學、藥物設計、計算生物學和材料科學等領域。研究從小型化學系統到大型生物分子和材料組裝的分子系統。可以手動執行最簡單的計算，但是不可避免地需要計算機來執行任何尺寸合理的系統的分子建模。分子建模方法的共同特征是分子系統的原子級描述。這可以包括治療原子作為最小獨立單元（一個分子力學的方法），或明確地與它的光子（一個建模質子和中子以其夸克，抗夸克和膠子和電子的量子化學方法）。

分子力學是分子建模的一個方面，因為它涉及使用經典力學（牛頓力學）來描述模型背后的物理基礎。分子模型通常將原子（原子核和電子）描述為具有相關質量的點電荷。相鄰原子之間的相互作用通過類似于彈簧的相互作用（表示化學鍵）和范德華力來描述。在蘭納-瓊斯勢通常用來形容后者。靜電相互作用是根據庫侖定律計算的。在笛卡爾空間或內部坐標中為原子分配坐標，也可以在動力學模擬中為其分配速度。原子速度與系統溫度（宏觀量）有關。集體數學表達式稱為勢函數，并且與系統內部能量（U）相關，系統內部能量（U）等于勢能和動能之和的熱力學量。使勢能最小化的方法稱為能量最小化方法（例如，最速下降和共軛梯度），而隨時間傳播對系統行為進行建模的方法稱為分子動力學。

分子可以在真空中或在溶劑（例如水）的存在下建模。真空中的系統模擬稱為氣相模擬，而包含溶劑分子存在的模擬稱為顯式溶劑模擬。在另一種類型的模擬中，使用經驗數學表達式來估算溶劑的影響；這些被稱為隱式溶劑化模擬。

大多數力場是與距離相關的，因此對于這些笛卡爾坐標最方便地表達。然而，在特定原子之間發生的鍵的相對剛性，并且本質上定義了名稱分子的含義，使內部坐標系成為最合邏輯的表示。在某些領域、IC表示法（鍵長、鍵之間的角度以及鍵的扭曲角如圖所示）稱為Z矩陣或扭轉角表示。不幸的是，笛卡爾空間中的連續運動通常需要內部坐標中不連續的角分支，這使得在內部坐標表示中使用力場相對困難，相反，由于在笛卡爾空間中原子的簡單位移可能不是直線軌跡禁止相互關聯的債券。因此，計算優化程序在其迭代過程中在表示之間來回翻轉是非常普遍的。這可能會影響電勢本身的計算時間，并且在長鏈分子中會引入累積的數字誤差。盡管所有轉換算法在數學上都產生相同的結果，但它們的速度和數值精度卻有所不同。當前，最快到最精確的扭轉到直角坐標的轉換是自然擴展參考系（NERF）方法。

現在常規使用分子建模方法來研究無機，生物和聚合物系統的結構、動力學、表面性質和熱力學。使用分子建模已研究的生物活性類型包括蛋白質折疊、酶催化、蛋白質穩定性，與生物分子功能相關的構象變化以及蛋白質，DNA和膜復合物的分子識別。