星际分子是指存在于星际空间的无机分子和有机分子。星际分子源分布在星际空间中物理条件不同的各个区域，如银心、电离氢区和中性氢区、星周物质、暗星云、超新星遗迹和红外星的附近等。有些分子（如一氧化碳）分布很广，可用来研究银河系和其他星系的旋臂结构；但也有一些分子目前只在非常致密的星云中才能找到。位于电离氢区的著名的猎户座A星云是研究得最详细的分子源之一，从中发现多种分子。在银心方向的人马座A和人马座B2两星云是更丰富的分子源，从中几乎能找到所有已发现的星际分子。
已发现的星际分子中，大部分是有机分子。还有一些是地球上没有的天然样品，甚至在实验室中也很难稳定存在的分子。天文观测还发现了不少星际分子的同位素分子。这是一种了解同位素丰度比的重要方法。多数分子不止看到一条谱线。有些星际分子的微波谱线在地球条件下也不易出现，这和天文光谱学的情形是相似的。十多年来星际分子的观测工作已得到丰富的数据。观际分子的主要工具是射电望远镜，绝大多数星际分子是靠分米至毫米波段的星际分子射电谱线发现的。也有少数分子只观测到它们的可见光和紫外、红外波段的谱线。空间天文学的发展突破了大气窗口的限制，我们能够观测到由于强烈的大气吸收而在地面无法观测到的红外、紫外等波段的谱线。通过谱线观测可以了解星云在其各个发展阶段中的许多物理、化学特性，诸如星云的成分、形状、密度、温度、速度、运动状况和同位素丰度比等。