術語分子識別是指兩個或多個分子之間通過非共價鍵的特定相互作用，例如氫鍵、金屬配位、疏水力、范德華力、π-π相互作用、鹵素鍵或共振相互作用效應。除了這些直接相互作用之外，溶劑還可以在驅動溶液中的分子識別方面發揮主要的間接作用。參與分子識別的主客體表現出分子互補性。例外是分子容器，包括例如納米管，其中入口基本上控制選擇性。

分子識別在生物系統中起著重要作用，在受體-配體、抗原-抗體、DNA-蛋白質、糖-凝集素、RNA-核糖體等之間觀察到。分子識別的一個重要例子是抗生素萬古霉素，它可以選擇性地結合通過五個氫鍵在細菌細胞中具有末端D-丙氨酰-D-丙氨酸的肽。萬古霉素對細菌是致命的，因為一旦它與這些特定的肽結合，它們就不能用于構建細菌的細胞壁。

最近的工作表明，分子識別元件可以在納米尺度上合成生產，從而避免了開發小分子傳感工具對天然分子識別元件的需求。仿生聚合物（例如分子印跡聚合物和擬肽）可用于識別較大的生物靶標（例如蛋白質），聚合物與合成熒光納米材料的結合可以生成合成大分子結構，用作光學蛋白質識別和檢測的合成抗體。

化學家已經證明，可以設計出許多表現出分子識別的人工超分子系統。這種系統最早的例子之一是能夠選擇性結合特定陽離子的冠醚。然而，此后已經建立了許多人工系統。

分子識別又可細分為靜態分子識別和動態分子識別。靜態分子識別比作鑰匙和鑰匙孔之間的相互作用；它是主體分子和客體分子之間的1:1型絡合反應，形成主客體復合物。為了實現先進的靜態分子識別，有必要制作客體分子特異性的識別位點。在動態分子識別的情況下，xxx個客體與宿主的xxx個結合位點的結合會影響第二個客體與第二個結合位點的締合常數。導致綁定的協同性。在正變構系統的情況下，xxx個客體的結合增加了第二個客體的締合常數。而對于負變構系統，xxx個客體的結合降低了與第二個客體的關聯常數。這種類型的分子識別的動態特性特別重要，因為它提供了一種調節生物系統結合的機制。動態分子識別可以通過構象校對機制增強區分幾個競爭目標的能力。動態分子識別也正在研究用于高功能化學傳感器和分子設備。

最近一項基于分子模擬和順應常數的研究將分子識別描述為一種組織現象。即使對于像碳水化合物這樣的小分子，即使假設每個單獨的氫鍵的強度都是已知的，也無法預測或設計識別過程。然而，作為Mobley等人。結論是，分子識別事件的準確預測需要超越客主之間單幀的靜態快照。熵是結合熱力學的關鍵貢獻者，需要加以考慮，以便更準確地預測識別過程。在單一綁定結構（靜態快照）中很少觀察到熵。

Jehle指出，當浸入液體中并與其他分子混合時，電荷波動力有利于相同分子作為最近鄰的結合。根據這一原理，一個基因編碼的多肽的多個拷貝往往相互進行分子識別，形成有序的多多肽蛋白質結構。當這樣的蛋白質由特定基因的兩個不同突變等位基因產生的多肽形成時，由多肽混合物組成的蛋白質可能表現出比由每個突變體單獨形成的多多肽蛋白質更大的功能活性。在這種情況下，這種現象被稱為基因內互補。基因內互補（也稱為等位基因間互補）已在多種生物的許多不同基因中得到證實。Crick和Orgel分析了這些研究的結果并得出結論，一般來說，基因內互補源于不同缺陷的多肽單體在形成有序聚集體時的相互作用，它們被稱為“多聚體”。