Важлива частина квантової хімії - теорія молекулярного будови речовини. Як вже зазначалося вище, атоми, з'єднуючись хімічними зв'язками, утворюють молекули, які є найменшою часткою речовини, що володіє його хімічними властивостями. (Одноатомні молекули інертних газів, строго кажучи, молекулами не є.) Як і атоми, молекули - це квантові системи.
Поняття про молекулярному будову речовини утвердилося в хімії в середині XIX в. в зв'язку з розвитком термодинаміки і теорії газів, і остаточно було підтверджено експериментами ж.б. Перрена, котрі проводили над явищем броунівського руху (безладного руху малих частинок, зважених в рідині або газі, викликаного рухом ударів молекул навколишнього середовища) в 1906 р Ці експерименти підтверджували теорію броунівського руху як флуктуацій тиску оточуючих молекул, розроблену в 1905-1906 рр. А. Ейнштейном і М. Смолуховським.
Молекули як атомні системи характеризуються складом (з атомів яких елементів вони складаються), молекулярної масою і структурною формулою, яка вказує послідовність хімічних зв'язків атомів. Так, молекула води має склад Н2 О, молекулярну масу 18 одиниць, з яких 16 припадає на кисень (О) і 2 на водень (Н), і структурну формулу Н-О-Н. Розміри молекул визначаються їх масою і структурою і у великих молекул можуть досягати 10 -5 см.
Деякі молекули, володіючи однаковим складом, проте різняться розташуванням атомів, послідовністю хімічних зв'язків. Такі молекули називаються ізомерами і зображуються різними структурними формулами. Їх хімічні властивості зазвичай також значно різняться. У будь-якому випадку розташування атомів в молекулі завжди симетрично.
Молекула - це складна, що знаходиться в постійному русі квантова система. Атоми входять до складу молекули і в той же час роблять безперервні коливальні рухи. Причому в багатоатомної молекулі коливання різних атомів залежать один від одного, і кожне характеризується своєю частотою. Крім того, самі молекули як ціле, наприклад в газах, роблять ще й поступальні, і обертальні рухи.
У квантової хімії стан молекули як квантової системи також описується рівнянням Шредінгера. Рішення цього рівняння зазвичай розпадається на два рівняння - для електронів і для ядер. Рішення для електронів дозволяє визначати рівні енергії електронів, яких значно більше, ніж рівнів енергії складових молекулу атомів. Адже кожен атом знаходиться в електричному полі інших атомів, і в результаті рівні розщеплюються. При вирішенні рівняння Шредінгера для електронів враховуються електростатичні взаємодії електронів з ядрами, один з одним, а також кінетична енергія ядер і електронів. Рішення рівняння Шредінгера для ядер дає можливість охарактеризувати коливальні і обертальні рухи молекул як цілого.