分子擴散，也稱分子傳質或簡稱擴散，是由於分子的無規則熱運動而形成的物質傳遞現象。
這種擴散現象與溫度有關，是質量傳遞的一種基本方式。分子擴散通常是在濃度差或其他推動力的作用下發生，由於分子、原子等的熱運動，物質在空間中發生遷移。例如，當清水中滴入幾滴紅墨水時，由於分子擴散，水會逐漸染上紅色；如果把兩塊不同的金屬緊壓在一起，經過一段時間後，每種金屬的接觸面內部都可以發現另一種金屬的成分。
分子擴散在氣體和低粘度液體中尤爲顯著。其微觀機理可以理解爲，當物質內部各部分的密度不均勻時，在分子熱運動的過程中，分子會從密度較高的區域向密度較低的區域移動，這種移動的結果是物質的均勻分佈。溫度越高，分子運動越劇烈，擴散現象也越明顯。