雙原子分子（來自希臘語di-'two'）是僅由兩個原子組成的分子，由相同或不同的化學元素組成。如果一個雙原子分子由同一元素的兩個原子組成，如氫（H2）或氧（O2），那么它被稱為是同核的。否則，如果一個雙原子分子由兩個不同的原子組成，如一氧化碳（CO）或一氧化氮（NO），該分子被稱為異核。同核雙原子分子中的鍵是無極性的。在標準溫度和壓力（STP）（或典型的實驗室條件為1巴和25℃）下形成穩定的同核雙原子分子的xxx化學元素是氫（H2）、氮（N2）、氧（O2）、氟（F2）、砹和氯（Cl2）等氣體。惰性氣體（氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣和氡氣）在STP時也是氣體，但它們是單原子的。同核雙原子氣體和惰性氣體一起被稱為元素氣體或分子氣體，以區別于其他作為化學化合物的氣體。在稍微升高的溫度下，鹵素溴（Br2）和碘（I2）也會形成雙原子氣體。所有的鹵素都被觀察到是雙原子分子，只有砹和天那水還不確定。其他元素在蒸發時形成雙原子分子，但這些雙原子物種在冷卻時重新聚合。加熱（裂解）元素磷可以得到二磷（P2）。硫蒸氣主要是二硫（S2）。二鋰（Li2）和二鈉（Na2）在氣相中是已知的。二鎢（W2）和二鉬（Mo2）在氣相中以六價鍵形成。銣(Rb2)是二原子的。

所有其他的雙原子分子都是兩種不同元素的化學化合物。根據溫度和壓力，許多元素可以結合成異核雙原子分子。例如氣體一氧化碳（CO）、一氧化氮（NO）和氯化氫（HCl）。許多1:1的二元化合物通常不被認為是雙原子的，因為它們在室溫下是聚合體，但它們在蒸發時形成雙原子分子，例如氣態的氧化鎂、氧化硅和許多其他物質。

在地球環境、實驗室和星際空間中，已經發現了數百種二原子分子。大約99%的地球大氣是由兩個種類的雙原子分子組成的：氮（78%）和氧（21%）。氫氣（H2）在地球大氣中的自然豐度只有百萬分之一，但H2是宇宙中最豐富的雙原子分子。星際介質以氫原子為主。

所有的雙原子分子都是線性的，并以一個參數為特征，即兩個原子之間的鍵長或距離。雙原子氮有一個三鍵，雙原子氧有一個雙鍵，而雙原子氫、氟、氯、碘和溴都有單鍵。

雙原子元素在19世紀闡明元素、原子和分子的概念方面發揮了重要作用，因為一些最常見的元素，如氫、氧和氮，是以雙原子分子形式出現的。約翰-道爾頓最初的原子假說假定所有的元素都是單原子的，而且化合物中的原子通常會有彼此之間最簡單的原子比率。例如，道爾頓假設水的化學式為HO，將氧的原子量定為氫的8倍，而不是現代的約16倍。因此，關于原子量和分子式的混亂存在了大約半個世紀。早在1805年，蓋-呂薩克和馮-洪堡就表明，水是由兩體積的氫和一體積的氧組成的，到1811年，阿梅德奧-阿伏伽德羅根據現在所謂的阿伏伽德羅定律和雙原子元素分子的假設，得出了對水的組成的正確解釋。然而，這些結果在1860年之前大多被忽視，部分原因是認為一種元素的原子對同種元素的原子沒有化學親和力，還有部分原因是阿伏伽德羅定律的明顯例外，直到后來才用分子解離的方式來解釋。

在1860年關于原子量的卡爾斯魯厄大會上，坎尼扎羅重新提出了阿伏伽德羅的觀點，并利用這些觀點制作了一個一致的原子量表，這些原子量表大多與現代數值一致。這些重量是德米特里-門捷列夫和洛塔爾-邁耶發現周期律的一個重要前提條件。激發的電子狀態雙原子分子通常處于其最低或基態，傳統上也被稱為X{displaystyleX}狀態。當雙原子分子的氣體被高能電子轟擊時，一些分子可能被激發到更高的電子狀態，例如，在自然極光中發生的情況；高海拔地區的分子可能被激發到更高的電子狀態。