分子键分为三种极端类型，即离子键、共价键和金属键。两个原子之间的键称为定域键。由多个原子共享电子形成的多中心键称为离域键。
此外，还有过渡型键：键电子偏向一侧的共价键称为极性键，一方提供的键形成键电子的键称为配位键。
通过这些类型的键，原子以一定的空间排列组合成分子，形成分子构型和构象。例如，碳是共享电子对键（共价键）的基本参与者。碳和氢这两种元素的原子可以形成碳氢化合物。
四面体结构中的CH4是其中最简单的碳氢化合物，也可以形成环状化合物，如环己烷、硅和氧是矿物的基本元素，云母和石英中含有硅氧单元。金属原子夹在烃环平面之间，形成夹层化合物。
蛋白质的碱性成分是一种双功能分子α-氨基酸，一端有一个碱性基团，一端有一个酸性基团。化学成分和分子量相同但分子结构不同的物质称为异构体。
当两种异构体其他性质相同，但旋光方向相反时，这种异构体称为旋光异构体。可用X射线和其他衍射方法、各种光谱、光谱、能谱和质谱来确定或推测分子结构。