Chuyển động tịnh tiến và quay, cũng như kéo dài và uốn cong liên kết, là các dạng chuyển động cơ bản trong các phân tử. Các phân tử khác nhau trải qua các trạng thái chồng chất khác nhau của các chuyển động cơ bản.
Tất cả các phân tử đều chuyển động liên tục. Bậc tự do của chuyển động này phụ thuộc vào pha của các phân tử của vật chất. Chất rắn có phạm vi chuyển động ít nhất, tiếp theo là chất lỏng, sau đó là chất khí. Nhiệt độ của các phân tử là một biểu hiện của động năng của chúng. Nhiệt độ cao hơn trực tiếp làm tăng chuyển động tịnh tiến của các phân tử, dẫn đến vận tốc chuyển động trong phân tử chất lỏng và khí cao hơn, tần số và biên độ dao động cao hơn trong phân tử chất rắn.
Quan hệ Boltzmann liên hệ tuyến tính giữa nhiệt độ vĩ mô với động năng phân tử thông qua hằng số Boltzmann. Sự gia tăng tuyến tính của nhiệt độ đi kèm với sự gia tăng tuyến tính của động năng trung bình của tất cả các phân tử trong một hệ thống.
Chuyển động quay có thể liên quan đến chuyển động quay của toàn bộ phân tử hoặc chuyển động quay của các phần của phân tử so với nhau trong chuyển động xoắn. Chuyển động như vậy chỉ có thể xảy ra trong pha khí và pha lỏng, vì các phân tử được liên kết ở các vị trí cố định trong chất rắn.
Chuyển động của các phân tử quyết định nhiều tính chất vật lý, bao gồm cả màu sắc, được xác định bởi sự hấp thụ và tái phát xạ photon thông qua các liên kết và phản ứng hóa học, được xác định bởi lượng năng lượng cần thiết để hình thành hoặc phá vỡ các liên kết.
