分子結構，也稱爲分子立體結構、分子形狀或分子幾何，是基於光譜學數據來描述分子中原子三維排列的方式。這種排列方式對化學物質的反應性、極性、相態、顏色、磁性和生物活性有顯著影響。分子結構涉及原子在空間中的位置，並與化學鍵的種類相關，包括鍵長、鍵角以及相鄰三個鍵之間的二面角。
分子結構可以通過不同的幾何形狀來描述，包括但不限於：
直線型：如二氧化碳（O=C=O），其中所有原子處在一條直線上，鍵角爲180°。
平面三角形：如三氟化硼（BF3），所有原子處在一箇平面上，中心原子周圍均勻分佈三個周邊原子，鍵角爲120°。
四面體：如甲烷（CH4），四個周邊原子處在四面體的四個頂點，中心原子位於四面體中心，理想鍵角爲109°28'。
八面體：如六氟化硫（SF6），六個周邊原子處在八面體的六個頂點，中心原子位於四面體中心，理想鍵角爲90°。
三角錐形：如氨（NH3），由於孤對電子的存在，使得鍵角較四面體形的鍵角要小，例如107.312°。
四方錐形：如五氟化溴（BrF5），一條鍵被孤對電子佔據後，剩下的五條鍵形成四方錐形。
角形：如水（H2O），兩條鍵的三個原子不在一條直線上，鍵角爲104.5°。
這些不同的分子結構類型展示了分子結構在化學中的多樣性和重要性。