在立體化學中，立體異構或空間異構是一種異構形式，即分子具有相同的分子式和成鍵原子的順序（結構），但其原子在空間的三維方向不同。這與結構異構體形成對比，后者具有相同的分子式，但鍵的連接或其順序不同。根據定義，互為立體異構體的分子代表同一結構異構體。

對映體也被稱為光學異構體，是兩個立體異構體，它們之間有反射關系：它們是彼此的鏡像，是不可疊加的。人的手是一個宏觀的類似物。其中一個的每個立體中心在另一個中都有相反的構型。兩個互為對映體的化合物具有相同的物理特性，除了它們旋轉偏振光的方向以及它們如何與其他化合物的不同光學異構體互動。因此，一種化合物的不同對映體可能具有實質上不同的生物效應。純粹的對映體也表現出光學活性的現象，只有在使用手性劑的情況下才能分離。在自然界中，大多數手性生物化合物，如氨基酸（除了甘氨酸，它是無手性的），只有一種對映體存在。一個有光學活性的化合物顯示兩種形式。D-（+）形式和L-（-）形式。

非對映體是不通過反射操作的立體異構體。它們不是彼此的鏡像。這包括中體化合物、順反異構體、E-Z異構體和非對映體的光學異構體。非對映體很少有相同的物理特性。在下面的例子中，酒石酸的中間形式與左旋酒石酸和右旋酒石酸形成了非對映體對。上述異構體的D-和L-標記與更常見的D-和L-標記不一樣，這就解釋了為什么對于那些只熟悉后者命名慣例的人來說，這些標記可能會出現顛倒。費舍爾投影可用于區分L-和D-分子手性（化學）。例如，根據定義，在費舍爾投影中，D-糖的倒數第二個碳被描述為氫在左邊，羥基在右邊。L-糖的氫在右邊，羥基在左邊。另一個是指光學旋轉，當觀察光源時，偏振平面的旋轉可能是向右（dextrorotary-d-rotary，用（+）表示，順時針），或向左（levorotary-l-rotary，用（-）表示，逆時針），這取決于哪個立體異構體占優勢。例如，蔗糖和樟腦是d-旋轉的，而膽固醇是l-旋轉的。順反和E-Z異構體關于雙鍵的立體異構體產生的原因是圍繞雙鍵的旋轉受到限制，使取代基相對固定。如果雙鍵至少一端的兩個取代基是相同的，那么就不存在立體異構體，雙鍵也不是立體中心，例如丙烯，CH3CH=CH2，一端的兩個取代基都是H。傳統上，雙鍵立體化學被描述為順式（拉丁文，在這一邊）或反式（拉丁文，跨越），是指雙鍵兩邊的取代物的相對位置。順式-反式異構的一個簡單例子是1,2-二取代的乙烯，如下面所示的二氯乙烯（C2H2Cl2）異構體。分子I是順式-1,2-二氯乙烯，分子II是反式-1,2-二氯乙烯。由于偶爾會出現模糊不清的情況，IUPAC采用了一個更嚴格的系統，其中雙鍵兩端的取代基根據其原子序數分配優先權。如果高優先級的取代基是在鍵的同一側，它被分配為Z（Ger.zusammen，一起）。如果它們在對面，則為E（Ger.entgegen，相反）。

由于氯的原子序數比氫大，所以它是最優先的一組。用這個符號來命名上圖中的分子，分子I是(Z)-1,2-二氯乙烯，分子II是(E)-1,2-二氯乙烯。Z和順式或E和反式并不總是可以互換的。考慮一下下面的氟甲基戊烯。這個分子的正確名稱是反式-2-氟-3-甲基戊-2-烯，因為形成骨架鏈的烷基（即甲基和乙基）位于雙鍵的對面，或者是(Z)-2-氟-3-甲基戊-2-烯，因為雙鍵兩側的最高優先級基團位于雙鍵的同一側。氟是雙鍵左側的最高優先級基團，而乙基是分子右側的最高優先級基團。