ביולוגיה מולקולרית היא ענף של הביולוגיה המתמקד במחקר המישור המולקולרי. תחום זה מכיל כלי מחקר טכניים רבים, גבולותיו אינם מוגדרים היטב והוא חופף בחלקו לתחומים אחרים בביולוגיה, בעיקר גנטיקה וביוכימיה. ביולוגיה מולקולרית ממוקדת בקשרי הגומלין בין המערכות השונות של התא, כולל הקשרים בין ה-DNA, ה-RNA והסינתזה של החלבונים, והבנה כיצד קשרים אלה מווּסתים. התחום נוסד בשנות החמישים והוא אחד מתחומי המחקר החדשים בביולוגיה כמו גם אחד המרכזיים בה.