На молекулярном уровне ученые исследуют целый комплекс различных процессов, которые связаны с молекулами и их взаимодействиями. Это могут быть механизмы и кинетика химических реакций между атомами и молекулами, биохимические процессы, которые происходят в клетках (изучение белков, ферментов, обмена веществ, генетической информации и т.д.), а также структура и свойства таких материалов, как полимеры, кристаллы или наноматериалы.