Các phân tử có thể được phân loại theo nhiều cách. Tùy thuộc vào sự khác biệt về độ âm điện giữa các nguyên tử liên kết, một phân tử có thể phân cực hoặc không phân cực. Tất cả các phân tử có chứa cacbon đều được coi là chất hữu cơ. Những chất không được coi là vô cơ. Ngoài ra còn có các lớp dựa trên chức năng và cấu trúc sinh hóa.
Thuật ngữ phân tử thường đề cập đến hai hoặc nhiều nguyên tử liên kết cộng hóa trị với nhau. Các nguyên tử liên kết có thể là của cùng một nguyên tố, chẳng hạn như phân tử tảo cát. Các nguyên tử có sự khác biệt đáng kể về giá trị độ âm điện tạo ra liên kết phân cực và có thể góp phần tạo nên một phân tử phân cực tổng thể. Một số phân loại phân tử không loại trừ lẫn nhau, nghĩa là có thể có phân tử hữu cơ phân cực hoặc phân tử không phân cực.
Trong hóa sinh, các phân tử được phân loại theo cấu trúc của chúng, vì điều này thường xác định chức năng của chúng. Bốn lớp chính là carbohydrate, protein, lipid và axit nucleic. Trong mỗi lớp, có thêm các phần nhỏ và loại phân tử. Carbohydrate bao gồm các chuỗi phân tử carbon khác nhau được gọi là đường. Protein là hợp chất được hình thành từ bất kỳ 20 axit amin và liên kết peptit nào. Lipid bao gồm các phân tử có dầu, và không hòa tan trong nước hoặc dễ bay hơi, chẳng hạn như chất béo và cholesterol. Axit nucleic bao gồm các nucleotide và bao gồm RNA và DNA.
