Molekul
Molekul sebagai komponen materi jamak terdapat dalam zat organik (dan biokimia tentunya). Mereka menyusun sebagian besar samudera dan atmosfer. Namun, mayoritas zat padat yang kita kenal di Bumi, termasuk sebagian besar mineral yang membentuk kerak, mantel, dan inti bumi, mengandung banyak ikatan kimia, tetapi "tidak" tersusun dari molekul yang dapat diidentifikasi. Selain itu, tidak ada molekul yang khas yang dapat didefinisikan sebagai kristal ionik (garam) dan kristal kovalen (padatan jaringan kovalen, "network solid"), meskipun ini sering tersusun dari sel unit yang berulang sehingga membentuk bidang (seperti dalam grafena) atau tiga dimensi (seperti intan, kuarsa, atau natrium klorida). Tema struktur sel unit yang berulang juga berlaku untuk sebagian besar fase paling padat dengan ikatan logam, yang artinya bahwa logam padat juga tidak terbuat dari molekul. Dalam kaca (zat padat yang berada dalam keadaan vitreous tak teratur), atom-atom juga dapat disatukan oleh ikatan kimia tanpa adanya molekul definitif apapun, maupun tanpa adanya keterulangan unit yang teratur seperti pada kristal.
Molekul diatomik
Pada tahun 1805, Gay-Lussac dan von Humboldt menunjukkan bahwa air terbentuk dari dua volume air dan satu volume oksigen, dan pada tahun 1811, Amedeo Avogadro akhirnya berhasil menentukan komposisi molekul air yang benar. Hal ini didasarkan pada hukum Avogadro dan asumsi bahwa gas hidrogen dan oksigen berupa molekul diatomik. Walaupun demikian, hasil kerja ini terus diabaikan sampai dengan tahun 1860. Alasan penolakan ini dikarenakan oleh kepercayaan saat itu bahwa atom yang berunsur sama tidak akan memiliki afinitas kimia terhadap satu sama lainnya. Selain itu, juga disebabkan oleh beberapa kejanggalan hukum Avogadro yang tidak dapat dijelaskan pada saat itu.