分子自組裝是分子在沒有外部來源的指導或管理的情況下采用定義排列的過程。有兩種類型的自組裝。這些是分子內自組裝和分子間自組裝。通常，術語分子自組裝是指分子間自組裝，而分子內類似物更常稱為折疊。

分子自組裝是超分子化學中的一個關鍵概念。這是因為在這種系統中分子的組裝是通過非共價相互作用（例如，氫鍵、金屬配位、疏水力、范德華力、pi-堆疊相互作用和/或靜電）以及電磁相互作用來引導的。常見的例子包括由表面活性劑分子形成膠體、生物分子凝聚物、膠束、囊泡、液晶相和朗繆爾單分子層。超分子組裝的其他例子表明，使用分子自組裝可以獲得各種不同的形狀和尺寸。分子自組裝允許構建具有挑戰性的分子拓撲結構。一個例子是Borromean環，互鎖環，其中一個環的移除解鎖了其他環中的每一個。DNA已被用于制備Borromean環的分子類似物。最近，已經使用非生物構件制備了類似的結構。

分子自組裝是生物體中生物大分子組裝體和生物分子縮合物構建的基礎，因此對細胞功能至關重要。它表現在脂質自組裝形成膜，通過單鏈氫鍵形成雙螺旋DNA，以及蛋白質組裝形成四級結構。錯誤折疊的蛋白質分子自組裝成不溶性淀粉樣蛋白纖維是感染性朊病毒相關神經退行性疾病的原因。納米級結構的分子自組裝在顯著的β-角蛋白薄片/剛毛/刮刀結構的生長中發揮作用，這些結構用于使壁虎能夠攀爬墻壁并粘附在天花板和巖石懸垂上。

當由基因編碼的多肽的多個拷貝自組裝形成復合物時，這種蛋白質結構稱為多聚體。編碼多聚體形成多肽的基因似乎很常見。當多聚體由特定基因的兩個不同突變等位基因產生的多肽形成時，混合多聚體可能表現出比每個突變體單獨形成的未混合多聚體更大的功能活性。在這種情況下，這種現象被稱為基因內互補。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。

分子自組裝是納米技術自下而上方法的一個重要方面。使用分子自組裝，最終（所需）結構被編程為分子的形狀和官能團。自組裝被稱為“自下而上”的制造技術，與“自上而下”的技術（如光刻技術）相比，其中所需的最終結構是從更大的物質塊中雕刻出來的。在分子納米技術的推測性愿景中，未來的微芯片可能由分子自組裝制成。使用生物材料的分子自組裝構建納米結構的一個優點是它們將降解回可以被身體分解的單個分子。

DNA納米技術是當前研究的一個領域，它使用自下而上的自組裝方法來實現納米技術目標。DNA納米技術利用DNA和其他核酸的獨特分子識別特性來創建具有有用特性的自組裝分支DNA復合物。因此，DNA被用作結構材料而不是生物信息的載體，以制造復雜的2D和3D晶格（基于瓦片以及使用DNA折紙方法）和形狀為3D結構的結構。多面體。這些DNA結構也被用作組裝其他分子（如金納米顆粒和鏈霉抗生物素蛋白）的模板。

單層分子在界面處的自發組裝通常稱為二維自組裝。此類組件的常見示例之一是Langmuir-Blodgett單層和多層表面活性劑。非表面活性分子也可以組裝成有序結構。早期的直接證據表明，非表面活性分子可以在固體界面組裝成高階結構，這是隨著掃描隧道顯微鏡的發展以及此后不久的發展而來的。最終，兩種策略開始流行用于二維結構的自組裝，即超高真空沉積后的自組裝和固液界面處的退火和自組裝。