分子結構又稱分子立體結構、分子形狀、分子幾何，它指的是建立在光譜學數據之上，用以描述分子中原子的三維排列方式。分子結構在化學中具有很重要的意義，它對化學物質的反應性、極性、相態、顏色、磁性和生物活性都有很大的影響。
由於分子中原子的運動決定於量子力學，因此原子所產生的“運動”也必須要以量子力學為基礎。不過總體的量子力學的外部運動對分子的結構並沒有什麼影響，如平移和旋轉，分子結構幾乎沒有任何改變。但是內部運動對分子的結構的影響卻不容忽視，包括振動。原子即使在絕對零度仍會在平衡間振蕩，不過此時所有原子都處於振動基態，具有零點能量。振動模式的波函數也不是一個尖峰，而是有限寬度的指數。但是隨著溫度升高，振動模式就容易被熱激發，用通俗的話講是分子振動的速度加快。隻是它們仍然還隻是在分子特定部分振蕩。
雖然說轉動對分子的結構幾乎沒有什麼影響，不過作為一個量子力學運動，它在低溫下熱激發程度就比振動高。如果轉從經典力學角度來看，更多分子在高溫下轉動更快；而從量子力學角度看則是，隨溫度升高，更多角動量較大的本征態開始聚集。典型的轉動激發能數量級在幾cm-1。
由於涉及轉動態，很多光譜學的實驗數據都被擴大了，溫度對分子的結構的影響則為：轉動運動隨溫度升高而變得激烈，不過從這裏我們也可以得知，低溫下的分子結構數據要比高溫下的更加可靠，從高溫下的光譜很難得出準確的分子結構。