分子物理學是研究分子的物理性質和分子動力學的學科。 該領域與物理化學、化學物理學和量子化學有很大的重疊。 它通常被認為是原子、分子和光學物理學的一個子領域。 研究分子物理學的研究小組通常被指定為這些其他領域之一。 分子物理學研究由分子結構和分子內的單個原子過程引起的現象。 與原子物理學一樣，它依賴于經典力學和量子力學的結合來描述電磁輻射與物質之間的相互作用。 該領域的實驗通常嚴重依賴于從原子物理學中借用的技術，例如光譜學和散射。

在分子中，電子和原子核都經歷了來自庫侖相互作用的類似規模的力。 然而，當電子顯著移動時，原子核保持在分子中幾乎固定的位置。 這張分子圖是基于核子比電子重得多的想法，因此對相同的力的反應會移動得少得多。 分子的中子散射實驗已被用來驗證這種描述。

當原子加入分子時，它們的內層電子仍然束縛在它們原來的原子核上，而外層的價電子分布在分子周圍。 這些價電子的電荷分布決定了分子的電子能級，可以用分子軌道理論來描述，該理論與用于單個原子的原子軌道理論非常相似。 假設電子的動量在 ?/a 的數量級（其中 ? 是約化的普朗克常數，a 是分子內的平均核間距離，~1?），電子態能量間距的大小 可以估計為幾個電子伏特。 這是大多數低分子能態的情況，對應于電磁波譜可見光和紫外區的躍遷。

除了與原子共享的電子能級外，分子還具有與振動和旋轉狀態相對應的額外量子化能級。 振動能級是指原子核圍繞它們在分子中的平衡位置的運動。 這些能級的近似能量間距可以通過將每個原子核視為分子產生的勢能中的量子諧振子，并將其相關頻率與經歷相同勢能的電子的頻率進行比較來估算。 結果是能量間距比電子水平儀的能量間距小約 100 倍。 與此估計一致，振動光譜顯示近紅外（約 1 - 5 μm）的躍遷。 最后，旋轉能態描述了整個分子的半剛性旋轉，并在遠紅外和微波區域（波長約 100-10,000 μm）產生躍遷波長。 這些是最小的能量間距，它們的大小可以通過比較核間距為 ~1? 的雙原子分子的能量與價電子的能量（上面估計為 ~?/a）來理解。

實際的分子光譜也顯示了同時耦合電子、振動和旋轉狀態的躍遷。 例如，同時涉及旋轉和振動狀態的躍遷通常被稱為旋轉-振動躍遷或振動躍遷。 電子振動躍遷結合了電子和振動躍遷，而旋轉電子躍遷結合了電子、旋轉和振動躍遷。 由于與每種類型的躍遷相關的頻率非常不同，因此與這些混合躍遷相關的波長在整個電磁光譜中各不相同。

一般來說，分子物理實驗的目標是表征分子的形狀和大小、電學和磁學特性、內部能級以及電離和離解能。 就形狀和大小而言，旋轉光譜和振動光譜可以確定分子的慣性矩，從而可以計算分子中的核間距離。 X 射線衍射可以直接確定核間距，特別是對于含有重元素的分子。

由于適用能量范圍廣泛（紫外線到微波范圍），光譜學的所有分支都有助于確定分子能級。

在原子、分子和光學物理學中，有許多研究使用分子來驗證基本常數并探索標準模型之外的物理學。